O ouro não pode ser formado até que certos núcleos atômicos instáveis se desintegrem. Exatamente como essas transformações nucleares ocorrem tem sido difícil de determinar ao longo do tempo. Agora, físicos nucleares da Universidade do Tennessee (UT) relatam três descobertas em um único estudo que esclarecem partes importantes desse processo. Suas descobertas podem ajudar pesquisadores a construir modelos aprimorados dos eventos estelares que criam elementos pesados e a prever melhor o comportamento de núcleos atômicos exóticos.
Elementos pesados como ouro e platina são forjados sob condições extraordinárias, incluindo quando estrelas colapsam, explodem ou colidem. Esses eventos desencadeiam o processo rápido de captura de nêutrons (ou r-processo, para abreviar). Durante esse processo, um núcleo atômico absorve nêutrons em rápida sucessão. À medida que o núcleo se torna mais pesado e instável, eventualmente se desintegra em formas mais leves e estáveis.
Ao longo desse caminho no gráfico dos nuclídeos, uma sequência comum envolve a desintegração beta do núcleo pai, seguida pela liberação de dois nêutrons. Os núcleos atômicos envolvidos nessas reações são extremamente raros e instáveis, tornando difícil ou até impossível estudá-los diretamente em experimentos. Por causa disso, os cientistas dependem fortemente de modelos teóricos, que devem ser testados e refinados usando dados de laboratório.
Estudando Núcleos Raros com a Instalação ISOLDE do CERN
Para investigar o processo mais de perto, os pesquisadores da UT colaboraram com cientistas de várias instituições. A equipe incluía os estudantes de graduação da UT, Peter Dyszel e Jacob Gouge, o professor Robert Grzywacz, a professora associada Miguel Madurga e a pesquisadora associada Monika Piersa-Silkowska. Seu trabalho também se baseou em métodos de análise de dados desenvolvidos pelo professor assistente de pesquisa Zhengyu Xu.
Os pesquisadores começaram com grandes quantidades do isótopo raro índio-134.
“Esses núcleos são difíceis de produzir e requerem muita nova tecnologia para serem sintetizados em quantidades suficientes”, explicou Grzywacz.
A equipe realizou os experimentos na Estação de Decaimento ISOLDE no CERN, que produziu abundantes núcleos de índio-134 e utilizou técnicas avançadas de separação a laser para garantir sua pureza. Quando o índio-134 passa pelo decaimento, ele gera formas excitadas de estanho-134, estanho-133 e estanho-132.
Usando um detector de nêutrons financiado pelo programa de Instrumentação de Pesquisa Maior da National Science Foundation e construído na UT, os cientistas descobriram três grandes descobertas. O resultado mais significativo foi a primeira medição das energias dos nêutrons associadas à emissão de dois nêutrons retardada por beta.
“A emissão de dois nêutrons é o maior destaque”, disse Grzywacz.
A emissão de dois nêutrons retardada por beta ocorre apenas em núcleos exóticos, que são instáveis e existem apenas brevemente. A energia necessária para separar dois nêutrons do núcleo é extremamente pequena, mas neste experimento foi suficiente para ser medida.
“A razão pela qual isso é difícil é porque os nêutrons tendem a ricochetear. É difícil saber se é um ou dois”, explicou Grzywacz. Em tentativas anteriores, “ninguém mediu energias”, então essa abordagem “abre um campo completamente novo”.
Esta pesquisa marca o primeiro estudo detalhado da emissão de dois nêutrons de um núcleo que está ao longo do caminho do r-processo. Os resultados fornecem valiosas informações para melhorar os modelos que descrevem como eventos estelares criam elementos pesados como o ouro.
Um Estado de Nêutron há Muito Procurado em Estanho
A segunda grande descoberta da equipe foi a primeira observação de um estado de nêutron de partícula única há muito previsto em estanho-133. De acordo com Grzywacz, o núcleo começa em um estado excitado e deve liberar energia para se estabilizar.
“O estanho está em um estado excitado. (Ele) precisa esfriar. Ele pode expelir um nêutron ou, com energia suficiente, pode expelir dois nêutrons. Ele deveria sempre expelir dois nêutrons, mas não o faz.”
Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que o núcleo de estanho simplesmente liberava nêutrons para esfriar, efetivamente perdendo qualquer traço do evento de decaimento beta anterior. Nesse cenário, o núcleo se comporta como um “núcleo amnésico”, sem memória de como foi formado.
“Nós dizemos que o estanho não esquece”, afirmou Grzywacz. “Essa ‘sombra’ do índio não desaparece completamente. A memória não é apagada.”
Detectores de nêutrons avançados permitiram que os pesquisadores detectassem esse estado nuclear elusivo. A observação sugere que as explicações teóricas atuais estão incompletas e que os cientistas precisam de uma estrutura mais sofisticada para explicar por que alguns decaimentos liberam um nêutron enquanto outros liberam dois.
“As pessoas procuravam por isso há 20 anos e nós encontramos”, disse Grzywacz. “Aqueles dois nêutrons nos permitiram ver esse estado.”
Ele observou que o estado recém-observado representa um estágio intermediário na sequência de emissão de dois nêutrons. Também representa a excituação elemental final do núcleo de estanho-133, ajudando a completar o quadro da estrutura nuclear e melhorando a precisão dos cálculos teóricos.
Uma Terceira Descoberta Desafia Modelos Existentes
O estudo também revelou um terceiro resultado importante. Os pesquisadores observaram uma população não estatística desse estado recém-identificado. Em termos simples, a forma como o estado é povoado durante a desintegração não segue os padrões que os cientistas normalmente esperam.
Grzywacz explicou que o ambiente de desintegração neste experimento é relativamente limpo. Os estados nucleares estão separados, em vez de aglomerados.
“Você não está fazendo sopa de ervilha partida”, disse ele. “Ainda assim, na maioria dos casos, se comporta como sopa de ervilha partida. De alguma forma, esse mecanismo estatístico acontece. Por que é estatístico, mesmo que não devesse ser, e por que neste caso não é?”
As descobertas sugerem que, à medida que os cientistas exploram regiões do espaço nuclear mais distantes da estabilidade, particularmente entre núcleos exóticos como o Tennessine, os modelos existentes podem não se aplicar mais. Novas abordagens teóricas provavelmente serão necessárias para descrever esses sistemas extremos.
A Curiosidade que Impulsiona Novas Descobertas
A busca por modelos aprimorados de estrutura nuclear e formação de elementos oferece grandes oportunidades para cientistas em início de carreira, como Dyszel. Ele se juntou ao grupo de pesquisa de Grzywacz em 2022 e foi o primeiro autor do artigo publicado na Physical Review Letters descrevendo as descobertas.
Suas responsabilidades durante o experimento foram extensas. Dyszel construiu estruturas para detectores de rastreamento de nêutrons e as montou dentro do aparato experimental. Ele instalou sistemas eletrônicos, construiu detectores beta, realizou medições de teste, ajudou a desenvolver o software de aquisição de dados, ajustou sistemas de temporização e analisou os dados resultantes. Apesar de seu papel abrangente, o projeto permaneceu um esforço colaborativo envolvendo muitos pesquisadores.
“O sucesso deste trabalho se deve em parte aos meus colegas e colaboradores, cuja orientação e contribuições construtivas foram cruciais”, afirmou.
Natural de Jacksonville, Flórida, Dyszel se juntou à UT após obter um diploma de física na University of North Florida. Seu interesse pela ciência nuclear começou anteriormente, durante um curso de química geral, quando aprendeu pela primeira vez sobre a desintegração beta. A ideia de que transformações nucleares poderiam criar elementos completamente novos com propriedades diferentes capturou sua atenção, inicialmente levando-o a considerar um diploma em química.
“Não foi até eu começar meu bacharelado que pisei pela primeira vez em uma aula de física, o que imediatamente me levou a um diploma em física”, explicou. “Sempre tive interesse em entender como o mundo funciona, e a física tem sido, e continua sendo, o caminho que quero seguir em busca dessa curiosidade.”
