Físicos do MIT acabaram de encontrar uma maneira de ver o interior dos átomos

Em pesquisa publicada em 23 de outubro em Ciênciaa equipe mediu com precisão a energia dos elétrons orbitando um átomo de rádio que estava quimicamente ligado a um átomo de flúor, formando monofluoreto de rádio. Ao usar o ambiente molecular como um substituto microscópico para um colisor de partículas, eles confinaram os elétrons do átomo de rádio e aumentaram a probabilidade de alguns passarem brevemente pelo núcleo.

Experimentos tradicionais que investigam o interior nuclear dependem de aceleradores em escala de quilômetros que aceleram os feixes de elétrons para colidir e fragmentar os núcleos. A nova abordagem centrada na molécula fornece uma maneira compacta e prática de sondar diretamente o interior de um núcleo.

Método de mesa detecta “mensagens” nucleares

Trabalhando com monofluoreto de rádio, os pesquisadores rastrearam as energias dos elétrons do átomo de rádio à medida que se moviam dentro da molécula. Eles observaram uma pequena mudança na energia e concluíram que alguns elétrons devem ter entrado brevemente no núcleo e interagido com o que está dentro. À medida que esses elétrons saíram, eles retiveram a mudança de energia, transportando efetivamente uma “mensagem” nuclear que revela características do interior do núcleo.

O método abre caminho para medir a “distribuição magnética” nuclear. Dentro de um núcleo, cada próton e nêutron se comportam como um minúsculo ímã, e suas orientações dependem de como essas partículas estão dispostas. A equipa planeia usar a técnica para mapear esta propriedade no rádio pela primeira vez, um passo que poderá esclarecer um dos enigmas centrais da cosmologia: porque é que o Universo contém muito mais matéria do que antimatéria.

“Nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes com o objetivo de medir violações de simetrias fundamentais no nível nuclear”, diz o co-autor do estudo Ronald Fernando Garcia Ruiz, que é Professor Associado de Física Thomas A. Franck no MIT. “Isso poderia fornecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna.”

Os co-autores do MIT incluem Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Experimento de Espectroscopia de Ionização por Ressonância Collinear (CRIS) no CERN na Suíça, onde os experimentos foram realizados.

Desequilíbrio matéria-antimatéria e o papel do rádio

De acordo com o entendimento atual, o universo primitivo deveria conter quantidades quase iguais de matéria e antimatéria. No entanto, quase tudo o que podemos detectar hoje é matéria construída a partir de prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos.

Esta observação entra em conflito com as expectativas do Modelo Padrão, sugerindo que são necessárias fontes adicionais de violação da simetria fundamental para explicar a escassez de antimatéria. Tais efeitos podem aparecer nos núcleos de certos átomos, incluindo o rádio.

Ao contrário da maioria dos núcleos, que são quase esféricos, o núcleo do rádio tem formato assimétrico, semelhante a uma pêra. Os teóricos prevêem que esta geometria pode amplificar sinais de violação de simetria o suficiente para torná-los potencialmente observáveis.

“Prevê-se que o núcleo do rádio seja um amplificador desta quebra de simetria, porque o seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante incomum”, diz Garcia Ruiz, cujo grupo se concentrou no desenvolvimento de métodos para sondar núcleos de rádio em busca de sinais de violação de simetria fundamental.

Construindo experimentos moleculares ultrassensíveis Espiar dentro de um núcleo de rádio para testar simetrias fundamentais é extremamente desafiador.

“O rádio é naturalmente radioativo, com uma vida útil curta e atualmente só podemos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em pequenas quantidades”, diz o principal autor do estudo, Shane Wilkins, ex-pós-doutorado no MIT. “Portanto, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para poder medi-los.”

A equipe reconheceu que incorporar um átomo de rádio em uma molécula poderia confinar e ampliar o comportamento de seus elétrons.

“Quando você coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que seus elétrons experimentam é ordens de magnitude maior em comparação com os campos que podemos produzir e aplicar em laboratório”, explica Silviu-Marian Udrescu PhD ’24, coautor do estudo. “De certa forma, a molécula atua como um colisor de partículas gigante e nos dá uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio”.

Mudança de energia revela encontros entre elétrons e núcleos

Os pesquisadores criaram o monofluoreto de rádio emparelhando átomos de rádio com átomos de flúor. Nesta molécula, os elétrons do rádio são efetivamente comprimidos, o que aumenta a chance de eles interagirem e entrarem brevemente no núcleo do rádio.

Eles então capturaram e resfriaram as moléculas, guiaram-nas através de câmaras de vácuo e as iluminaram com lasers adaptados para interagir com as moléculas. Esta configuração permitiu medições precisas das energias dos elétrons dentro de cada molécula.

As energias medidas mostraram uma diferença sutil em relação às expectativas baseadas nos elétrons que não entram no núcleo. Embora a mudança de energia tenha sido apenas cerca de um milionésimo da energia do fóton laser usado para excitar as moléculas, ela forneceu evidências claras de que os elétrons interagiam com prótons e nêutrons dentro do núcleo do rádio.

“Existem muitos experimentos que medem as interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e sabemos como são essas interações”, explica Wilkins. “Quando medimos essas energias dos elétrons com muita precisão, não correspondeu exatamente ao que esperávamos, assumindo que eles interagiam apenas fora do núcleo. Isso nos disse que a diferença deve ser devida às interações dos elétrons dentro do núcleo.”

“Agora temos provas de que podemos coletar amostras do interior do núcleo”, diz Garcia Ruiz. “É como medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas podem medir seu campo externamente, mas medir dentro da bateria é muito mais desafiador. E é isso que podemos fazer agora.”

Próximas etapas: mapeando forças e testando simetrias

No futuro, a equipe planeja aplicar a nova técnica para mapear a distribuição de forças dentro do núcleo. Até agora, seus experimentos envolveram núcleos de rádio que ficam em orientações aleatórias dentro de cada molécula em alta temperatura. Garcia Ruiz e seus colaboradores gostariam de ser capazes de resfriar essas moléculas e controlar as orientações de seus núcleos em forma de pêra, de modo que possam mapear com precisão seu conteúdo e caçar a violação de simetrias fundamentais.

“Prevê-se que as moléculas que contêm rádio sejam sistemas excepcionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza”, diz Garcia Ruiz. “Agora temos uma maneira de realizar essa busca.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.