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Não importa o tamanho de uma festa nuclear, alguns prótons e nêutrons sempre irão emparelhar e dançar
As descobertas sobre as interações nucleares de curto alcance ajudarão os cientistas a investigar estrelas de nêutrons e núcleos radioativos pesados.
Por Jennifer Chu - 10/11/2020


Uma equipe liderada pelo MIT simulou o comportamento de prótons e nêutrons em vários tipos de núcleos atômicos, descobrindo que as fórmulas que descrevem como os átomos se comportam em um gás podem ser generalizadas para prever como prótons e nêutrons interagem a curta distância no núcleo. Reprodução

Os átomos em um gás podem parecer festeiros em uma rave nanoscópica, com partículas voando ao redor, emparelhando-se e voando novamente de maneira aparentemente aleatória. No entanto, os físicos criaram fórmulas que prevêem esse comportamento, mesmo quando os átomos estão extremamente próximos e podem puxar e puxar uns aos outros de maneiras complicadas.

O ambiente dentro do núcleo de um único átomo parece semelhante, com prótons e nêutrons também dançando. Mas, como o núcleo é um espaço compacto, os cientistas têm se esforçado para identificar o comportamento dessas partículas, conhecidas como núcleos, no núcleo de um átomo. Os modelos que descrevem as interações de núcleos distantes se rompem quando as partículas se emparelham e interagem de perto.

Agora, uma equipe liderada pelo MIT simulou o comportamento de prótons e nêutrons em vários tipos de núcleos atômicos, usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo. A equipe explorou uma ampla gama de modelos de interação nuclear e descobriu, surpreendentemente, que as fórmulas que descrevem como os átomos se comportam em um gás podem ser generalizadas para prever como prótons e nêutrons interagem a curta distância no núcleo.

Quando os núcleos estão separados por menos de 1 femtômetro - 1 quatrilionésimo de metro, os pesquisadores descobriram outra surpresa: as partículas se emparelham da mesma forma, independentemente de habitarem um núcleo pequeno como o hélio ou um mais aglomerado como o cálcio.

“Esses pares de curto alcance realmente não se importam com o ambiente - estejam eles em uma grande festa ou em uma festa de cinco pessoas, não importa - eles formarão pares da mesma maneira universal”, diz Reynier Cruz- Torres, que co-liderou o trabalho como estudante de graduação em física no MIT.

Esse comportamento de curto alcance é provavelmente universal para todos os tipos de núcleos atômicos, como os núcleos muito mais densos e complicados dos átomos radioativos.

“As pessoas não esperavam que esse tipo de modelo capturasse núcleos, que são alguns dos objetos mais complicados da física”, diz Or Hen, professor assistente de física do MIT. “Apesar de uma diferença de densidade de mais de 20 ordens de magnitude entre um átomo e um núcleo, ainda podemos encontrar esse comportamento universal e aplicá-lo a muitos problemas abertos em física nuclear.”

A equipe publicou seus resultados hoje na revista Nature Physics . Os co-autores do MIT incluem Axel Schmidt, um afiliado de pesquisa do Laboratório de Ciência Nuclear, junto com colaboradores da Universidade Hebraica, Los Alamos e Laboratórios Nacionais Argonne e várias outras instituições.

Pares de festas

Hen busca entender as confusas interações entre prótons e nêutrons em um alcance extremamente curto, onde o puxão e puxão entre os núcleos no ambiente muito pequeno e denso do núcleo tem sido notoriamente difícil de definir. Durante anos, ele se perguntou se um conceito da física atômica conhecido como formalismo de contato também poderia ser aplicado à física nuclear e ao funcionamento interno do núcleo.

De maneira muito ampla, o formalismo de contato é uma descrição matemática geral que prova que o comportamento dos átomos em uma nuvem depende de sua escala: aqueles que estão longe uns dos outros seguem uma certa física, enquanto os átomos muito próximos seguem um conjunto inteiramente separado de física. Cada grupo de átomos realiza suas interações alheios ao comportamento do outro grupo. De acordo com o formalismo de contato, por exemplo, sempre haverá um certo número de pares ultraclose, independentemente do que outros átomos, mais distantes, estejam fazendo na nuvem.

Hen se perguntou se o formalismo de contato também poderia descrever as interações dentro do núcleo de um átomo.

“Achei que não é possível que você veja esse belo formalismo, que foi uma revolução na física atômica, e ainda assim não podemos fazer isso funcionar para a física nuclear”, diz Hen. "Era uma conexão muito forte."

“Em escalas humanas”

Os pesquisadores primeiro se uniram a Ronen Weiss e Nir Barnea na Universidade Hebraica, que liderou o desenvolvimento de uma generalização teórica do formalismo de contato atômico, para descrever um sistema geral de partículas em interação. Eles então procuraram simular partículas em um ambiente nuclear pequeno e denso, para ver se os padrões de comportamento emergiriam entre os núcleons de curto alcance, de uma maneira totalmente separada daquela de núcleos de longo alcance, conforme previsto pelo formalismo de contato generalizado.

O grupo simulou interações de partículas dentro de vários núcleos atômicos leves, variando de três núcleos no hélio a 40 no cálcio. Para cada tipo de núcleo atômico, eles executaram um algoritmo de amostragem aleatório para gerar um filme de onde cada um dos prótons e nêutrons em um determinado núcleo poderia estar ao longo do tempo.

“Em um determinado momento, essas partículas podem se distribuir de uma maneira, interagindo entre si com um determinado esquema, onde este se emparelha com aquele, por exemplo, e uma terceira partícula é chutada. Então, em outro momento, eles serão distribuídos de forma diferente ”, explica o co-autor principal Diego Lonardoni, um físico do Laboratório Nacional de Los Alamos e da Michigan State University. “Então, repetimos esses cálculos várias vezes para alcançar o equilíbrio.”

Para ver surgir qualquer tipo de equilíbrio, ou padrão, a equipe teve que simular toda a física possível entre cada uma das partículas, gerando milhares de instantâneos para cada tipo de núcleo. Para realizar esse número de cálculos normalmente seriam necessários milhões de horas de processamento.

“Meu laptop levaria mais do que a idade do universo para terminar o cálculo”, diz Hen. “Se você distribuir o cálculo entre 10.000 processadores, poderá obter o resultado em um tempo em escalas humanas.”

Portanto, a equipe usou supercomputadores em Los Alamos e no Argonne National Laboratory - alguns dos computadores mais poderosos do mundo - para distribuir o trabalho em paralelo.

Depois de executar as simulações, eles traçaram uma distribuição de núcleons para cada tipo de núcleo que simularam. Por exemplo, para um núcleo de oxigênio, eles encontraram uma certa porcentagem de núcleos dentro de 1 fermi de distância, e outra porcentagem que estava ligeiramente mais próxima, e assim por diante.

Surpreendentemente, eles descobriram que, para núcleos de longo alcance, a distribuição variava amplamente de um tipo de núcleo para outro. Mas para nucleons de curto alcance com menos de 1 femtômetro de distância, as distribuições entre os tipos atômicos pareciam exatamente as mesmas, não importando se os nucleons habitavam um núcleo ultraleve de hélio ou um núcleo de carbono mais denso. Em outras palavras, os núcleons de curto alcance se comportavam independentemente de seu ambiente de escala maior, semelhante a como o comportamento atômico é descrito por meio do formalismo de contato.

“Nossa descoberta oferece uma maneira nova e simples de definir a parte de curta distância da distribuição nuclear que, junto com a teoria existente, permite essencialmente obter a distribuição completa”, diz Hen. “Com isso, podemos testar a natureza do neutrino e calcular as taxas de resfriamento de estrelas de nêutrons, entre outras questões em aberto.”

Essa pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a Pazy Foundation, a Israeli Science Foundation e a Clore Foundation.

 

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