Como os elementos químicos, os blocos de construção de nosso universo, são construídos? Essa questão esteve no cerne da física nuclear por quase um século.

No início do século 20, os cientistas descobriram que os elementos têm um núcleo ou núcleo central. Esses núcleos consistem em vários números de prótons e nêutrons.

Agora, os cientistas da Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University construíram e testaram um dispositivo que permitirá percepções essenciais sobre elementos pesados ou elementos com um grande número de prótons e nêutrons. Ben Kay, físico do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), liderou esse esforço. FRIB é um recurso do DOE Office of Science.

Kay e sua equipe concluíram seu primeiro experimento usando o dispositivo, chamado SOLARIS, que significa Solenóide Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Os experimentos planejados revelarão informações sobre as reações nucleares que criam alguns dos elementos mais pesados ​​do nosso mundo, que vão do ferro ao urânio.

Também estão planejados experimentos com isótopos exóticos . Isótopos são elementos que compartilham o mesmo número de prótons, mas têm números diferentes de nêutrons. Os cientistas referem-se a certos isótopos como exóticos porque suas proporções de prótons para nêutrons diferem daquelas dos isótopos tipicamente estáveis ​​ou de vida longa que ocorrem naturalmente na Terra. Alguns desses isótopos instáveis ​​desempenham um papel essencial em eventos astronômicos.

"Estrelas em explosão, a fusão de estrelas gigantes em colapso, agora estamos aprendendo detalhes sobre as reações nucleares que estão no centro desses eventos", disse Kay. "Com o SOLARIS, somos capazes de recriar essas reações aqui, na Terra, para ver por nós mesmos."

O novo dispositivo segue os passos do HELIOS, o Helical Orbit Spectrometer, em Argonne. Ambos usam ímãs supercondutores reaproveitados de forma semelhante a partir de uma máquina de imagem por ressonância magnética (MRI) como a encontrada em hospitais. Em ambos, um feixe de partículas é disparado em um material alvo dentro de uma câmara de vácuo. Quando as partículas colidem com o alvo, ocorrem reações de transferência. Em tais reações, nêutrons ou prótons são removidos ou adicionados dos núcleos, dependendo das partículas e de suas energias usadas na colisão.

"Ao registrar a energia e o ângulo das várias partículas que são liberadas ou desviadas das colisões, somos capazes de reunir informações sobre a estrutura dos núcleos desses isótopos", disse Kay. "O design inovador do SOLARIS fornece a resolução necessária para aprimorar nossa compreensão desses núcleos exóticos."

O que torna o SOLARIS verdadeiramente único é que ele pode funcionar como um espectrômetro de modo duplo, o que significa que pode fazer medições com feixes de alta ou muito baixa intensidade. "O SOLARIS pode operar nesses dois modos", explicou Kay. "Um usa uma matriz de detector de silício tradicional no vácuo. O outro usa o novo alvo cheio de gás da Câmara de Projeção de Tempo de Alvo Ativo no estado de Michigan, liderado pelo membro da equipe SOLARIS e físico sênior da FRIB, Daniel Bazin. Este primeiro experimento testado o AT-TPC. " O AT-TPC permite que os cientistas usem feixes mais fracos e ainda coletem resultados com a alta precisão necessária.

O AT-TPC é essencialmente uma grande câmara preenchida com um gás que serve tanto como alvo para o feixe quanto para o meio detector. Isso difere da câmara de vácuo tradicional que usa uma matriz de detector de silício e um alvo sólido, fino e separado.

"Ao encher a câmara com gás, você está garantindo que menos partículas maiores do feixe de baixa intensidade entrarão em contato com o material alvo ", disse Kay. Dessa forma, os cientistas podem estudar os produtos dessas colisões.

O primeiro experimento da equipe, liderado pelo pesquisador associado Clementine Santamaria da FRIB, examinou a decomposição do oxigênio-16 (o isótopo de oxigênio mais comum em nosso planeta) em partículas alfa muito menores. Em particular, os oito prótons e oito nêutrons nos núcleos de oxigênio-16 se dividem em um total de quatro partículas alfa, cada uma consistindo de dois prótons e dois nêutrons.

"Ao determinar como o oxigênio-16 decai assim, as comparações podem ser feitas com o 'estado de Hoyle', um estado excitado de um isótopo de carbono que acreditamos desempenha um papel fundamental na produção de carbono nas estrelas", explicou Kay.

Kay e sua equipe registraram mais de dois milhões de eventos de reação durante este experimento e observaram vários casos de decadência do oxigênio-16 em partículas alfa.

A funcionalidade dupla do SOLARIS permitirá uma gama ainda mais ampla de experimentos de reação nuclear do que antes, e dará aos cientistas novos insights sobre alguns dos maiores mistérios do cosmos.