Um enigma de décadas na física nuclear centra-se numa estranha questão: Porque é que alguns núcleos atómicos emitem mais raios gama de baixa energia do que os cientistas esperavam?
Um novo estudo liderado por pesquisadores do Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) juntamente com o Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) pode fornecer respostas. publicado em NaturezaAs descobertas fornecem novos insights sobre a estrutura do núcleo atômico e podem ter implicações importantes para a astrofísica, a energia nuclear, a segurança nacional e a ciência forense nuclear.
Os raios gama são uma forma de radiação eletromagnética, assim como a luz visível e as ondas de rádio. Eles são liberados quando núcleos atômicos excitados perdem energia e caem para um estado mais baixo e mais estável durante o decaimento radioativo.
Um mistério de raios gama de longo prazo
Durante décadas, os cientistas observaram que alguns núcleos emitem números inesperadamente grandes de raios gama de baixa energia. Este efeito, conhecido como “aumento de baixa energia”, é difícil de explicar. Não aparece em todos os núcleos e os investigadores não foram capazes de prever com segurança onde irá ocorrer.
“Este baixo aumento de energia não foi previsto pela teoria, por isso foi um choque para a comunidade quando foi observado pela primeira vez”, disse Eleanor Ronning, principal autora do estudo e ex-aluna de pós-graduação da FRIB. “É difícil prever onde (o aumento de baixa energia) ocorrerá – não sabemos quais núcleos irão exibi-lo.”
Os novos resultados fornecem fortes evidências de que as transições magnéticas dentro do núcleo são responsáveis pelo efeito.
“Este é um passo importante”, disse a co-líder do estudo Andrea Richard, ex-pesquisadora de pós-doutorado no LLNL e atual professora assistente na Universidade de Ohio. “Agora temos uma explicação consistente que conecta as observações experimentais à teoria.”
Separando decaimento nuclear elétrico e magnético
Para investigar o mistério, os pesquisadores mediram os raios gama produzidos à medida que isótopos radioativos de cobre decaem em zinco. Os instrumentos e capacidades especiais do FRIB permitiram à equipe isolar dois estados de decaimento diferentes e examiná-los individualmente.
A certa altura, a decadência envolveu transições elétricas. À medida que o cobre foi transformado, o próton mudou de posição dentro do núcleo.
O segundo estado envolveu transições magnéticas. Neste caso, os nêutrons e prótons no núcleo essencialmente invertem seus ímãs internos.
Somente a transição magnética produziu um aumento de baixa energia nos raios gama. Esse resultado mostrou que esse fenômeno é de natureza magnética.
Ronning e Richard propuseram conjuntamente o experimento. Junto com o trabalho de Richard como pesquisador de pós-doutorado, outros cientistas do LLNL contribuíram com seus conhecimentos e ajudaram a monitorar o experimento continuamente durante a semana, 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Implicações para a ciência e segurança nuclear
Embora o estudo tenha se concentrado em apenas um núcleo, os pesquisadores dizem que as descobertas podem melhorar os modelos nucleares em uma ampla gama de elementos e reações.
“Podemos melhorar nosso conhecimento sobre o desempenho do reservatório e a interpretação dos resultados de programas de testes anteriores usando uma teoria melhor baseada nessas descobertas”, disse o autor do estudo e cientista do LLNL, Darren Bluel. “Além disso, podemos melhorar a perícia nuclear – a nossa capacidade de determinar se ocorreu um incidente nuclear e identificar a fonte mais provável”.
As descobertas poderão ajudar os cientistas a modelar melhor as reações nucleares em estrelas, supernovas e fusões de estrelas de neutrões – incluindo as reações responsáveis pela formação de elementos pesados – ao mesmo tempo que melhoram a compreensão dos processos relacionados com a energia nuclear.
