Físicos do MIT desenvolveram uma nova maneira de sondar o interior do núcleo de um átomo, usando os próprios elétrons do átomo como “mensageiros” dentro de uma molécula.

Em um estudo publicado hoje na revista Science , os físicos mediram com precisão a energia dos elétrons que circulavam em torno de um átomo de rádio que havia sido pareado com um átomo de flúor para formar uma molécula de monofluoreto de rádio. Eles usaram o ambiente dentro das moléculas como uma espécie de colisor de partículas microscópico, que continha os elétrons do átomo de rádio e os estimulava a penetrar brevemente no núcleo do átomo.

Normalmente, experimentos para sondar o interior de núcleos atômicos envolvem instalações gigantescas, com quilômetros de extensão, que aceleram feixes de elétrons a velocidades rápidas o suficiente para colidir e fragmentar núcleos. O novo método da equipe, baseado em moléculas, oferece uma alternativa prática para sondar diretamente o interior do núcleo de um átomo.

Dentro das moléculas de monofluoreto de rádio, a equipe mediu as energias dos elétrons de um átomo de rádio enquanto eles circulavam dentro da molécula. Eles identificaram uma ligeira mudança de energia e determinaram que os elétrons devem ter penetrado brevemente no núcleo do átomo de rádio e interagido com seu conteúdo. À medida que os elétrons retornavam, eles retinham essa mudança de energia, fornecendo uma "mensagem" nuclear que podia ser analisada para detectar a estrutura interna do núcleo do átomo.

O método da equipe oferece uma nova maneira de medir a "distribuição magnética" nuclear. Em um núcleo, cada próton e nêutron age como um pequeno ímã e se alinha de forma diferente dependendo de como os prótons e nêutrons do núcleo estão distribuídos. A equipe planeja aplicar seu método para mapear com precisão essa propriedade do núcleo de rádio pela primeira vez. O que eles descobrirem pode ajudar a responder a um dos maiores mistérios da cosmologia: por que vemos muito mais matéria do que antimatéria no universo?

"Nossos resultados lançam as bases para estudos subsequentes que visam medir violações de simetrias fundamentais no nível nuclear", afirma o coautor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz, Professor Associado de Física Thomas A. Franck no MIT. "Isso pode fornecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna."

Os coautores do estudo no MIT incluem Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson, além de colaboradores de diversas instituições, incluindo o Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment (CRIS) no CERN, na Suíça, onde os experimentos foram realizados.

Segundo o melhor entendimento dos cientistas, deve ter havido quantidades quase iguais de matéria e antimatéria quando o universo surgiu. No entanto, a esmagadora maioria do que os cientistas podem medir e observar no universo é composta de matéria, cujos blocos de construção são os prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos.

Essa observação contrasta fortemente com o que nossa melhor teoria da natureza, o Modelo Padrão, prevê, e acredita-se que fontes adicionais de violação fundamental da simetria sejam necessárias para explicar a quase completa ausência de antimatéria em nosso universo. Tais violações podem ser observadas nos núcleos de certos átomos, como o rádio.

Ao contrário da maioria dos núcleos atômicos, que têm formato esférico, o núcleo do átomo de rádio tem uma configuração mais assimétrica, semelhante a uma pera. Cientistas preveem que esse formato de pera pode aumentar significativamente sua capacidade de detectar a violação de simetrias fundamentais, a ponto de serem potencialmente observáveis.

“Prevê-se que o núcleo de rádio seja um amplificador dessa quebra de simetria, porque 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 fundamental da simetria.

Observar o interior do núcleo de um átomo de rádio para investigar simetrias fundamentais é um exercício incrivelmente complicado.

“O rádio é naturalmente radioativo, tem vida útil curta e atualmente só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas”, afirma o principal autor do estudo, Shane Wilkins, ex-pós-doutorado no MIT. “Portanto, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para poder medi-las.”

A equipe percebeu que, ao colocar um átomo de rádio em uma molécula, eles poderiam conter e amplificar o comportamento de seus elétrons.

“Quando colocamos esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que seus elétrons experimentam é ordens de magnitude maior em comparação aos 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 acelerador de partículas gigante e nos dá uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio.”

Em seu novo estudo, a equipe primeiro emparelhou átomos de rádio com átomos de flúor para criar moléculas de monofluoreto de rádio. Eles descobriram que, nessa molécula, os elétrons do átomo de rádio foram efetivamente comprimidos, aumentando a chance de os elétrons interagirem e penetrarem brevemente no núcleo do rádio.

A equipe então capturou e resfriou as moléculas e as enviou através de um sistema de câmaras de vácuo, para as quais também foram enviados lasers, que interagiram com as moléculas. Dessa forma, os pesquisadores conseguiram medir com precisão as energias dos elétrons dentro de cada molécula.

Ao contabilizar as energias, descobriram que os elétrons pareciam ter uma energia ligeiramente diferente daquela que os físicos esperariam se não penetrassem no núcleo. Embora essa mudança de energia tenha sido pequena — apenas um milionésimo da energia do fóton laser usado para excitar as moléculas —, ela forneceu evidências inequívocas da interação dos elétrons das moléculas com os prótons e nêutrons dentro do núcleo de rádio.

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

No futuro, a equipe planeja aplicar a nova técnica para mapear a distribuição de forças dentro do núcleo. Seus experimentos até agora envolveram núcleos de rádio dispostos em orientações aleatórias dentro de cada molécula em alta temperatura. Garcia Ruiz e seus colaboradores gostariam de resfriar essas moléculas e controlar as orientações de seus núcleos em formato de pera, de modo que pudessem mapear com precisão seus conteúdos e procurar violações de simetrias fundamentais.

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

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