Como os elementos qua­micos, os blocos de construção de nosso universo, são construa­dos? Essa questãoesteve no cerne da física nuclear por quase um século.

No ini­cio do século 20, os cientistas descobriram que os elementos tem um núcleo ou núcleo central. Esses núcleos consistem em vários números de pra³tons e naªutrons.

Agora, os cientistas da Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University construa­ram e testaram um dispositivo que permitira¡ percepções essenciais sobre elementos pesados ou elementos com um grande número de pra³tons e naªutrons. Ben Kay, fa­sico do Laborata³rio Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), liderou esse esfora§o. FRIB éum recurso do DOE Office of Science.

Kay e sua equipe conclua­ram seu primeiro experimento usando o dispositivo, chamado SOLARIS, que significa Solena³ide Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Os experimentos planejados revelara£o informações sobre as reações nucleares que criam alguns dos elementos mais pesados ​​do nosso mundo, que va£o do ferro ao ura¢nio.

Tambanãm estãoplanejados experimentos com isãotopos exa³ticos . Isãotopos são elementos que compartilham o mesmo número de pra³tons, mas tem números diferentes de naªutrons. Os cientistas referem-se a certos isãotopos como exa³ticos porque suas proporções de pra³tons para naªutrons diferem daquelas dos isãotopos tipicamente esta¡veis ​​ou de vida longa que ocorrem naturalmente na Terra. Alguns desses isãotopos insta¡veis ​​desempenham um papel essencial em eventos astrona´micos.

"Estrelas em explosão, a fusão de estrelas gigantes em colapso, agora estamos aprendendo detalhes sobre as reações nucleares que estãono centro desses eventos", disse Kay. "Com o SOLARIS, somos capazes de recriar essas reações aqui, na Terra, para ver por nosmesmos."

O novo dispositivo segue os passos do HELIOS, o Helical Orbit Spectrometer, em Argonne. Ambos usam a­ma£s supercondutores reaproveitados de forma semelhante a partir de uma ma¡quina de imagem por ressonância magnanãtica (MRI) como a encontrada em hospitais. Em ambos, um feixe departículas édisparado em um material alvo dentro de uma ca¢mara de va¡cuo. Quando aspartículas colidem com o alvo, ocorrem reações de transferaªncia. Em tais reações, naªutrons ou pra³tons são removidos ou adicionados dos núcleos, dependendo daspartículas e de suas energias usadas na colisão.

"Ao registrar a energia e o a¢ngulo das váriaspartículas que são liberadas ou desviadas das colisaµes, somos capazes de reunir informações sobre a estrutura dos núcleos desses isãotopos", disse Kay. "O design inovador do SOLARIS fornece a resolução necessa¡ria para aprimorar nossa compreensão desses núcleos exa³ticos."

O que torna o SOLARIS verdadeiramente aºnico éque ele pode funcionar como um espectra´metro 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 sila­cio tradicional no va¡cuo. O outro usa o novo alvo cheio de gás da Ca¢mara de Projeção de Tempo de Alvo Ativo no estado de Michigan, liderado pelo membro da equipe SOLARIS e fa­sico saªnior 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 necessa¡ria.

O AT-TPC éessencialmente uma grande ca¢mara preenchida com um gás que serve tanto como alvo para o feixe quanto para o meio detector. Isso difere da ca¢mara de va¡cuo tradicional que usa uma matriz de detector de sila­cio e um alvo sãolido, fino e separado.

"Ao encher a ca¢mara com gás, vocêestãogarantindo que menospartículas maiores do feixe de baixa intensidade entrara£o em contato com o material alvo ", disse Kay. Dessa forma, os cientistas podem estudar os produtos dessas colisaµes.

O primeiro experimento da equipe, liderado pelo pesquisador associado Clementine Santamaria da FRIB, examinou a decomposição do oxigaªnio-16 (o isãotopo de oxigaªnio mais comum em nosso planeta) empartículas alfa muito menores. Em particular, os oito pra³tons e oito naªutrons nos núcleos de oxigaªnio-16 se dividem em um total de quatropartículas alfa, cada uma consistindo de dois pra³tons e dois naªutrons.

"Ao determinar como o oxigaªnio-16 decai assim, as comparações podem ser feitas com o 'estado de Hoyle', um estado excitado de um isãotopo 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 decadaªncia do oxigaªnio-16 empartículas alfa.

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