O ouro não pode ser formado até que certos núcleos atômicos instáveis se quebrem. Há muito que é difícil determinar exactamente como estas transições nucleares se desenrolam. Agora, físicos nucleares da Universidade do Tennessee (UT) relatam três descobertas num único estudo que esclarecem partes importantes deste processo. As suas descobertas podem ajudar os investigadores a desenvolver modelos melhorados de eventos estelares que produzem material pesado e a prever melhor o comportamento dos núcleos exonucleares.
Elementos pesados como ouro e platina são formados quando estrelas entram em colapso, explodem ou colidem em circunstâncias extraordinárias. Esses eventos desencadeiam o processo rápido de captura de nêutrons (ou processo R, para abreviar). Durante este processo, um núcleo atômico absorve nêutrons em rápida sucessão. À medida que o núcleo se torna mais pesado e mais instável, ele eventualmente entra em colapso para uma forma mais leve e mais estável.
Ao longo deste caminho através do gráfico de nuclídeos, uma sequência típica envolve o decaimento beta do núcleo pai e a emissão de dois nêutrons. Os núcleos atômicos envolvidos nessas reações são extremamente raros e instáveis, tornando-os difíceis ou mesmo impossíveis de serem estudados diretamente em experimentos. Por esta razão, os cientistas dependem fortemente de modelos teóricos, que devem ser testados e refinados com base em dados de laboratório.
Estudando núcleos raros com a instalação ISLDE do CERN
Para investigar o processo mais de perto, os pesquisadores da UT colaboraram com cientistas de diversas instituições. A equipe incluiu os alunos de pós-graduação da UT Peter Diesel e Jacob Gage, o professor Robert Grzywacz, o professor associado Miguel Madurga e a pesquisadora associada Monika Piersa-Silkoska. Seu trabalho também se baseia em métodos de análise de dados desenvolvidos pelo professor assistente de pesquisa Zhengyu Xu.
Os pesquisadores começaram com grandes quantidades do raro isótopo índio-134.
“Esses núcleos são difíceis de fabricar e muitas novas tecnologias são necessárias para sintetizá-los adequadamente”, explica Grzywacz.
A equipe conduziu experimentos na estação de decaimento ISOLDE do CERN, que produziu grandes quantidades de núcleos de índio-134, e usou técnicas avançadas de divisão a laser para garantir sua pureza. Quando o índio-134 decai, produz as formas excitadas estanho-134, estanho-133 e estanho-132.
Através do Programa Principal de Instrumentação de Pesquisa da National Science Foundation e usando um detector de nêutrons construído na UT, os cientistas descobriram três descobertas principais. O resultado mais notável foi a primeira medição da energia de nêutrons associada à emissão de dois nêutrons com atraso beta.
“A emissão de dois nêutrons é o maior problema”, disse Gryzwacz.
A emissão de dois nêutrons com atraso beta ocorre apenas no núcleo externo, que é instável e existe apenas brevemente. A energia necessária para separar dois nêutrons do núcleo é extremamente pequena, mas foi grande o suficiente para ser medida neste experimento.
“A razão pela qual é difícil é porque os nêutrons gostam de saltar. É difícil dizer se são um ou dois”, explicou Grzywacz. Nas tentativas anteriores, “ninguém havia medido a energia”, então este método “abre um campo totalmente novo”.
Este estudo marca o primeiro estudo detalhado da emissão de dois nêutrons de um núcleo localizado ao longo do caminho do processo R. Os resultados fornecem informações valiosas para melhorar os modelos que descrevem como os eventos estelares produzem elementos pesados, como o ouro.
Um estado de nêutrons há muito procurado no estanho
A segunda grande descoberta da equipe foi a primeira observação de um estado de nêutrons de partícula única há muito previsto no estanho-133. Segundo Grzywacz, o núcleo começa em estado excitado e deve liberar energia para se estabilizar.
“O estanho está em um estado excitado. (Ele) tem que estar frio. Ele pode cuspir um nêutron ou, com energia suficiente, pode cuspir dois nêutrons. Ele deveria sempre cuspir dois nêutrons, mas isso não acontece.”
Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que o núcleo de estanho simplesmente liberava nêutrons para esfriar, perdendo efetivamente qualquer vestígio do evento anterior de decaimento beta. Nessa situação o núcleo se comporta como um “núcleo amnésico”, não tendo memória de como foi formado.
“Dizemos que o estanho não esquece”, disse Grzywacz. “Esta ‘sombra’ do índio não desaparece completamente. A memória não é apagada.”
Detectores avançados de nêutrons permitem que os pesquisadores detectem esses estados nucleares indescritíveis. A observação sugere que as explicações teóricas actuais estão incompletas e que os cientistas precisam de uma estrutura mais sofisticada para explicar porque é que alguns decaimentos libertam um neutrão e outros libertam dois.
“As pessoas procuravam por isso há 20 anos e nós o encontramos”, disse Grzywacz. “Esses dois nêutrons nos permitiram ver este estado.”
Ele observou que o estado recentemente observado representa um estágio intermediário na sequência de emissão de dois nêutrons. Também representa a excitação primária final do núcleo de estanho-133, ajudando a completar o quadro da estrutura atômica e melhorando a precisão dos cálculos teóricos.
Uma terceira descoberta desafia os modelos existentes
O estudo também revelou uma terceira descoberta importante. Os pesquisadores observaram uma população não estatística desses estados recém-identificados. Simplificando, a forma como o estado se povoa durante a erosão não segue os padrões que os cientistas normalmente esperariam.
Grzywacz explicou que o ambiente corrosivo neste teste é relativamente limpo. Os estados nucleares separaram-se em vez de se aglomerarem.
“Você não está fazendo sopa de ervilha”, disse ele. “Ainda assim, na maioria dos casos, ele se comporta como uma sopa de ervilhas. De alguma forma, esse processo estatístico ocorre. Por que é estatístico, embora não devesse ser, e por que não o temos no elenco?”
As descobertas sugerem que, à medida que os cientistas exploram regiões da paisagem nuclear longe da estabilidade, particularmente dentro de núcleos exteriores como o Tennessine, os modelos existentes podem já não ser aplicáveis. Provavelmente serão necessárias novas abordagens teóricas para descrever estes sistemas extremos.
A curiosidade impulsiona novas descobertas
A busca por modelos aprimorados de estrutura atômica e formação de materiais oferece grandes oportunidades para cientistas em início de carreira como Diesel. Ele se juntou ao grupo de pesquisa de Grzywacz em 2022 e atuou como primeiro autor Carta de revisão física O artigo descreve a descoberta.
Suas responsabilidades durante o exame foram extensas. Diesel constrói as estruturas dos detectores de rastreamento de nêutrons e os integra ao aparato experimental. Ele instalou o sistema eletrônico, construiu o detector beta, mediu o experimento, ajudou a desenvolver o software de aquisição de dados, coordenou o sistema de cronometragem e analisou os dados resultantes. Apesar de seu amplo papel, o projeto foi um esforço colaborativo envolvendo muitos pesquisadores.
“O sucesso deste trabalho deve-se em parte aos meus colegas e colaboradores, cuja orientação e contributo construtivo foram cruciais”, disse ele.
Originário de Jacksonville, Flórida, Diesel frequentou a UT depois de se formar em física pela University of North Florida. Seu interesse pela ciência nuclear começou durante um curso de química geral, quando aprendeu sobre o decaimento beta. A ideia de que a transformação nuclear poderia criar elementos inteiramente novos com propriedades diferentes chamou sua atenção, levando-o inicialmente a considerar a possibilidade de se formar em química.
“Só quando comecei a graduação é que entrei em uma aula de física, o que me levou instantaneamente a me formar em física”, explicou ele. “Sempre tive interesse em entender como o mundo funciona, e a física foi, e continua sendo, o caminho que quero seguir na busca por essa curiosidade.”
