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Novas pistas sobre por que há tão pouca antimatéria no universo
Os pesquisadores mediram a massa de cada molécula para estimar o número de nêutrons no núcleo de rádio de uma molécula. Eles então classificaram as moléculas por isótopos, de acordo com seus números de nêutrons.
Por Jennifer Chu - 07/07/2021


Domínio público

Imagine uma partícula de poeira em uma nuvem de tempestade e você terá uma ideia da insignificância de um nêutron em comparação com a magnitude da molécula que ele habita.

Mas assim como uma partícula de poeira pode afetar a trilha de uma nuvem, um nêutron pode influenciar a energia de sua molécula, apesar de ter menos de um milionésimo de seu tamanho. E agora os físicos do MIT e de outros lugares mediram com sucesso o minúsculo efeito de um nêutron em uma molécula radioativa.

A equipe desenvolveu uma nova técnica para produzir e estudar moléculas radioativas de vida curta com números de nêutrons que podem controlar com precisão. Eles escolheram a dedo vários isótopos da mesma molécula, cada um com um nêutron a mais do que o outro. Ao medir a energia de cada molécula, eles foram capazes de detectar mudanças pequenas, quase imperceptíveis, do tamanho do núcleo, devido ao efeito de um único nêutron.

"Se as leis da física são simétricas como pensamos que são, então o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria na mesma quantidade. O fato de que a maior parte do que vemos é matéria, e há apenas cerca de uma parte por bilhão de antimatéria, significa que há uma violação das simetrias mais fundamentais da física, de uma forma que não podemos explicar com tudo o que sabemos ",


 Ronald Fernando Garcia Ruiz,

O fato de terem sido capazes de ver esses pequenos efeitos nucleares sugere que os cientistas agora têm a chance de pesquisar essas moléculas radioativas em busca de efeitos ainda mais sutis, causados ​​pela matéria escura , por exemplo, ou pelos efeitos de novas fontes de violações de simetria relacionadas a alguns dos mistérios atuais do universo.

"Se as leis da física são simétricas como pensamos que são, então o Big Bang deveria ter criado matéria e antimatéria na mesma quantidade. O fato de que a maior parte do que vemos é matéria, e há apenas cerca de uma parte por bilhão de antimatéria, significa que há uma violação das simetrias mais fundamentais da física, de uma forma que não podemos explicar com tudo o que sabemos ", diz Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física do MIT.

"Agora temos a chance de medir essas violações de simetria, usando essas moléculas radioativas pesadas, que têm extrema sensibilidade a fenômenos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz ele. "Isso poderia fornecer respostas para um dos principais mistérios de como o universo foi criado."

Ruiz e seus colegas publicaram seus resultados hoje na Physical Review Letters .

Uma assimetria especial

A maioria dos átomos na natureza hospeda um núcleo simétrico e esférico, com nêutrons e prótons uniformemente distribuídos. Mas em certos elementos radioativos como o rádio, os núcleos atômicos têm a forma estranha de uma pêra, com uma distribuição desigual de nêutrons e prótons em seu interior. Os físicos levantam a hipótese de que essa distorção da forma pode aumentar a violação das simetrias que deram origem à matéria no universo.
 
"Os núcleos radioativos podem nos permitir ver facilmente esses efeitos que violam a simetria", disse o principal autor do estudo, Silviu-Marian Udrescu, um estudante graduado do Departamento de Física do MIT. "A desvantagem é que eles são muito instáveis ​​e vivem por um período muito curto de tempo, então precisamos de métodos sensíveis para produzi-los e detectá-los rapidamente."

Em vez de tentar localizar núcleos radioativos por conta própria, a equipe os colocou em uma molécula que amplifica ainda mais a sensibilidade às violações de simetria. As moléculas radioativas consistem em pelo menos um átomo radioativo, ligado a um ou mais outros átomos. Cada átomo é cercado por uma nuvem de elétrons que, juntos, geram um campo elétrico extremamente alto na molécula que os físicos acreditam poder amplificar efeitos nucleares sutis, como efeitos de violação de simetria.

No entanto, além de certos processos astrofísicos, como fusão de estrelas de nêutrons e explosões estelares, as moléculas radioativas de interesse não existem na natureza e, portanto, devem ser criadas artificialmente. Garcia Ruiz e seus colegas vêm refinando técnicas para criar moléculas radioativas em laboratório e estudar com precisão suas propriedades. No ano passado, eles relataram um método para produzir moléculas de monofluoreto de rádio, ou RaF, uma molécula radioativa que contém um átomo de rádio instável e um átomo de fluoreto.

Em seu novo estudo, a equipe usou técnicas semelhantes para produzir isótopos RaF, ou versões da molécula radioativa com vários números de nêutrons. Como fizeram em seu experimento anterior, os pesquisadores utilizaram o Isotope mass Separator On-Line, ou ISOLDE, instalação do CERN, em Genebra, Suíça, para produzir pequenas quantidades de isótopos RaF.

A instalação abriga um feixe de prótons de baixa energia, que a equipe direcionou para um alvo - um disco do tamanho de meio dólar de carboneto de urânio, no qual eles também injetaram um gás de fluoreto de carbono. As reações químicas que se seguiram produziram um zoológico de moléculas, incluindo RaF, que a equipe separou usando um sistema preciso de lasers, campos eletromagnéticos e armadilhas de íons.

Os pesquisadores mediram a massa de cada molécula para estimar o número de nêutrons no núcleo de rádio de uma molécula. Eles então classificaram as moléculas por isótopos, de acordo com seus números de nêutrons.

No final, eles separaram grupos de cinco diferentes isótopos de RaF, cada um contendo mais nêutrons do que o outro. Com um sistema separado de lasers, a equipe mediu os níveis quânticos de cada molécula.

"Essas moléculas radioativas muito pesadas são especiais e têm sensibilidade a fenômenos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz Udrescu. "Isso mostra que, quando começamos a pesquisar os efeitos que violam a simetria, temos uma grande chance de vê-los nessas moléculas ."


"Imagine uma molécula vibrando como duas bolas em uma mola, com uma certa quantidade de energia", explica Udrescu, que é aluno de graduação do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT. "Se você alterar o número de nêutrons em uma dessas bolas, a quantidade de energia pode mudar. Mas um nêutron é 10 milhões de vezes menor do que uma molécula e, com nossa precisão atual, não esperávamos que mudar um deles criaria uma energia diferença, mas fez. E pudemos ver claramente esse efeito. "

Udrescu compara a sensibilidade das medições a ser capaz de ver como o Monte Everest, colocado na superfície do sol, poderia, embora minuciosamente, alterar o raio do sol. Em comparação, ver certos efeitos de violação de simetria seria como ver como a largura de um único fio de cabelo humano alteraria o raio do sol.

Os resultados demonstram que moléculas radioativas como RaF são ultrassensíveis aos efeitos nucleares e que sua sensibilidade pode revelar efeitos mais sutis, nunca antes vistos, como propriedades nucleares que violam a simetria minúsculas, que podem ajudar a explicar a matéria-antimmater do universo assimetria.

"Essas moléculas radioativas muito pesadas são especiais e têm sensibilidade a fenômenos nucleares que não podemos ver em outras moléculas na natureza", diz Udrescu. "Isso mostra que, quando começamos a pesquisar os efeitos que violam a simetria, temos uma grande chance de vê-los nessas moléculas ."

 

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