Tecnologia Científica

Físicos medem molécula radioativa de vida curta pela primeira vez
A técnica experimental da equipe também pode ser usada para realizar estudos de laboratório de moléculas radioativas produzidas em processos astrofísicos.
Por Jennifer Chu - 27/05/2020

Domínio público

Pesquisadores do MIT e de outros países combinaram o poder de um super colisor com técnicas de espectroscopia a laser para medir com precisão pela primeira vez uma molécula radioativa de vida curta, monofluoreto de rádio.

Estudos de precisão de moléculas radioativas abrem possibilidades para os cientistas procurarem uma nova física além do Modelo Padrão, como fenômenos que violam certas simetrias fundamentais da natureza e procurar sinais de matéria escura. A técnica experimental da equipe também pode ser usada para realizar estudos de laboratório de moléculas radioativas produzidas em processos astrofísicos.

"Nossos resultados abrem caminho para estudos de alta precisão de moléculas radioativas de vida curta, que poderiam oferecer um laboratório novo e exclusivo para pesquisas em física fundamental e outros campos", diz o principal autor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física no MIT.

Os colegas de Garcia Ruiz incluem Alex Brinson, um estudante de graduação do MIT, junto com uma equipe internacional de pesquisadores que trabalham no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, em Genebra. Os resultados foram publicados hoje na revista Nature .

Tempo de inversão

A molécula mais simples é formada por dois átomos, cada um com um núcleo que compreende um certo número de prótons e nêutrons que tornam um átomo mais pesado que o outro. Cada núcleo é cercado por uma nuvem de elétrons. Na presença de um campo elétrico, esses elétrons podem ser redistribuídos para criar um campo elétrico extremamente grande dentro da molécula.

Os físicos usaram moléculas e seus campos elétricos como laboratórios em miniatura para estudar as propriedades fundamentais dos elétrons e outras partículas subatômicas . Por exemplo, quando um elétron ligado interage com o campo elétrico da molécula, sua energia pode mudar como resultado, que os cientistas podem medir para inferir as propriedades do elétron, como seu momento dipolar eletrostático, que fornece uma medida de seu desvio de uma forma esférica. .

"Antes de nossas medições, todos os níveis de energia dessas moléculas eram desconhecidos", diz Garcia Ruiz. "Foi como tentar encontrar uma agulha em uma sala escura, com centenas de metros de largura. Agora que encontramos a agulha, podemos medir as propriedades dessa agulha e começar a brincar com ela".


De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, as partículas elementares devem ser aproximadamente esféricas ou ter um momento dipolar eletrostático insignificante. Se, no entanto, existir um momento dipolar elétrico permanente de uma partícula ou sistema, isso implicaria que certos processos na natureza não são tão simétricos quanto os físicos supunham.

Por exemplo, os físicos acreditam que a maioria das leis fundamentais da física deve permanecer inalterada com a direção do tempo - um princípio conhecido como simetria de inversão do tempo. Ou seja, independentemente de o tempo correr para frente ou para trás, a gravidade, por exemplo, deve fazer com que uma bola caia de um penhasco ou role para trás, ao longo do mesmo caminho em velocidade e espaço. Se, no entanto, um elétron não for perfeitamente esférico, isso indicaria que a simetria de inversão de tempo é violada. Essa violação forneceria uma condição muito necessária para explicar por que há mais matéria do que antimatéria em nosso universo.

Ao estudar as interações de um elétron com campos elétricos muito fortes, os cientistas podem ter a chance de medir com precisão seus momentos de dipolo elétrico. Em certas moléculas, quanto mais pesados ​​são os átomos, mais forte é o campo elétrico interno. Moléculas radioativas - aquelas que contêm pelo menos um núcleo instável - podem ser adaptadas para maximizar seus campos elétricos internos. Além disso, núcleos radioativos pesados ​​podem ter formas semelhantes a pêras, que podem amplificar suas propriedades de violação de simetria.

Por causa de seus altos campos elétricos e formas nucleares únicas, as moléculas radioativas formariam laboratórios naturais para investigar não apenas a estrutura do elétron, mas também propriedades nucleares que violam a simetria. Mas essas moléculas têm vida curta e os cientistas não foram capazes de identificá-las.

"Essas moléculas radioativas são de natureza muito rara e algumas delas não podem ser encontradas em nosso planeta, mas podem ser abundantes em processos astrofísicos, como explosões estelares ou fusões de estrelas de nêutrons", afirma Garcia Ruiz. "Portanto, temos que fazê-los artificialmente, e os principais desafios têm sido que eles só podem ser produzidos em pequenas quantidades a altas temperaturas e podem ter vida útil muito curta".

Uma agulha no escuro

A equipe procurou uma maneira de fabricar monofluoreto de rádio, ou RaF - uma molécula radioativa que contém um átomo de rádio instável e muito pesado, e um átomo de flúor. Essa molécula é de particular interesse porque certos isótopos do núcleo do rádio são eles mesmos assimétricos, lembrando uma pêra, com mais massa em uma extremidade do núcleo do que na outra.

Além disso, os teóricos previram que a estrutura energética do monofluoreto de rádio tornaria a molécula passível de resfriamento a laser, uma técnica que usa lasers para diminuir a temperatura das moléculas e atrasá-las o suficiente para realizar estudos de precisão. Enquanto a maioria das moléculas tem muitos estados de energia que podem ocupar, com um grande número de estados vibracionais e rotacionais, verifica-se que o monofluoreto de rádio favorece transições eletrônicas entre alguns níveis principais de energia - uma molécula incomumente simples de controlar, usando o resfriamento a laser.

A equipe conseguiu medir moléculas de RaF produzindo pequenas quantidades da molécula usando o separador de massa isotópica do CERN on-line ou a instalação ISOLDE do CERN, que eles manipularam e estudaram com lasers usando o experimento de espectroscopia de ionização por ressonância colinear (CRIS) .

Em seu experimento, os pesquisadores utilizaram o Proton Synchrotron Booster do CERN, uma série de anéis que recebem prótons de um acelerador de partículas e aceleram os prótons. A equipe disparou esses prótons contra um alvo feito de carboneto de urânio, com tanta energia que o ataque destruiu o urânio, produzindo uma chuva de prótons e nêutrons que se misturaram para formar uma mistura de núcleos radioativos, incluindo o rádio.

Os pesquisadores injetaram um gás de tetrafluoreto de carbono, que reagiu com o rádio para produzir moléculas iônicas ou carregadas de monofluoreto de rádio, que eles separaram do restante dos subprodutos do urânio por meio de um sistema de ímãs de separação de massa. Eles então prenderam as moléculas em uma armadilha de íons e as cercaram com gás hélio, que esfriou as moléculas o suficiente para que os pesquisadores as medissem.

Em seguida, a equipe mediu as moléculas reativando-as e passando-as pelo sistema CRIS, onde as moléculas iônicas interagiam com átomos de sódio que davam um elétron a cada molécula para neutralizar o feixe de moléculas em vôo. As moléculas neutras continuaram através de uma região de interação, onde os pesquisadores também brilharam dois raios laser - um vermelho e o outro azul.

A equipe ajustou a frequência do laser vermelho para cima e para baixo e descobriu que em certos comprimentos de onda o laser ressoava com as moléculas, levando um elétron da molécula para outro nível de energia, de modo que o laser azul tivesse energia suficiente para remover o elétron do molécula. As moléculas ressonantemente excitadas, tornadas iônicas novamente, foram desviadas e coletadas em um detector de partículas, permitindo que os pesquisadores medissem, pela primeira vez, seus níveis de energia e as propriedades moleculares associadas que demonstram que a estrutura dessas moléculas é realmente favorável para resfriamento a laser.

"Antes de nossas medições, todos os níveis de energia dessas moléculas eram desconhecidos", diz Garcia Ruiz. "Foi como tentar encontrar uma agulha em uma sala escura, com centenas de metros de largura. Agora que encontramos a agulha, podemos medir as propriedades dessa agulha e começar a brincar com ela".

 

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