Monofluoreto de rádio vira um colisor microscópico para sondar o núcleo

Para investigar o que acontece dentro do núcleo de um átomo, cientistas tradicionalmente dependem de colidores de partículas complexos, capazes de atingir núcleos e “desmontá-los” com feixes de elétrons.

Em geral, esses colidores exigem instalações enormes - algumas com quilômetros de extensão - para acelerar elétrons a velocidades extremas e, assim, buscar pistas escondidas no interior dos núcleos.

Um colisor microscópico com os próprios elétrons do átomo

Em um novo estudo, pesquisadores propõem uma alternativa bem mais simples e em escala muito menor. Em vez de recorrer a toda a infraestrutura de um grande colisor, eles extraíram informações do interior do núcleo usando os próprios elétrons do átomo como “mensageiros”, dentro de uma molécula diatômica.

A estratégia consistiu em unir um átomo de rádio a um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Ao explorar características do ambiente intramolecular, a equipe montou, na prática, um colisor microscópico: por instantes, elétrons do rádio conseguiram penetrar o seu núcleo.

Isso permitiu acompanhar com alta precisão as energias dos elétrons na molécula, revelando uma pequena - porém relevante - mudança de energia. A interpretação é que os elétrons fizeram incursões breves no núcleo do rádio e interagiram com o que existe ali.

Esse caminho pode abrir uma forma inédita de medir a distribuição magnética de um núcleo, ou seja, de avaliar como a disposição de prótons e nêutrons determina suas propriedades magnéticas.

Por que o núcleo do rádio é um alvo tão promissor

Os autores ressaltam que o trabalho ainda é um passo inicial, mas o objetivo é usar a técnica para iluminar novos aspectos do núcleo do rádio. Esse tipo de informação pode ajudar a atacar enigmas centrais da física - por exemplo, por que o Universo parece ter muito mais matéria do que antimatéria.

"Nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que buscam medir violações de simetrias fundamentais no nível nuclear", afirma o físico do MIT e coautor do estudo Ronald Fernando Garcia Ruiz. "Isso poderia fornecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna."

Modelos atuais indicam que o Universo bebê deveria conter quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria; no entanto, a antimatéria é estranhamente rara. Hoje, observamos sobretudo matéria no Universo, o que sugere uma quebra da simetria esperada entre as duas.

Os cientistas suspeitam que as pistas estejam em certos núcleos atômicos, cujo interior pode guardar sinais do motivo de a antimatéria correspondente ser tão escassa.

Segundo os pesquisadores, o rádio é um candidato especialmente forte por causa do formato de “pera” previsto para o seu núcleo. Enquanto a maioria dos núcleos atômicos é esférica, a estrutura assimétrica do rádio pode aumentar a capacidade de observar violações de simetrias fundamentais.

"Prevê-se que o núcleo do rádio amplifique essa quebra de simetria, porque seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante incomum", diz Garcia Ruiz.

Ainda assim, desvendar esse sistema não é simples.

Como o monofluoreto de rádio revela interações dentro do núcleo

"O rádio é naturalmente radioativo, tem vida curta e, atualmente, só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas", explica o autor principal e físico Shane Wilkins, ex-pós-doutorando do MIT e hoje na Universidade Estadual de Michigan. "Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para conseguir medi-las."

A ideia central, detalha o coautor Silviu-Marian Udrescu, físico da Universidade Johns Hopkins, que contribuiu com o estudo quando era pós-graduando no MIT, é colocar o átomo de rádio dentro de uma molécula - um ambiente que concentra e intensifica a atividade eletrônica.

"Quando você coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que seus elétrons experimentam é ordens de magnitude maior do que os campos que conseguimos produzir e aplicar em laboratório", afirma Udrescu. "De certa forma, a molécula age como um colisor de partículas gigante e nos dá uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio."

No monofluoreto de rádio, os elétrons do átomo de rádio ficaram restritos de um modo que aumentou a probabilidade de entrarem no núcleo. Os pesquisadores aprisionaram e resfriaram as moléculas e, em seguida, usaram lasers para medir as energias dos elétrons no seu interior.

Os dados mostraram deslocamentos muito pequenos, mas estatisticamente importantes, compatíveis com passagens dos elétrons pelo núcleo.

"Há muitos experimentos medindo interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e sabemos como essas interações se parecem", diz Wilkins.

"Quando fomos medir essas energias dos elétrons com muita precisão, o resultado não batia com o que esperávamos ao supor que eles interagiam apenas fora do núcleo", acrescenta. "Isso nos disse que a diferença precisava ser devida a interações de elétrons dentro do núcleo."

Os autores relatam que esse achado pode transformar nossa capacidade de estudar núcleos atômicos. Embora se saiba o quanto partículas subatômicas podem ser teimosamente difíceis de acessar - elas não entregam seus segredos com facilidade.

"Agora temos prova de que conseguimos amostrar o interior do núcleo. É como ser capaz de medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas conseguem medir o campo do lado de fora, mas medir dentro da bateria é muito mais desafiador. E é isso que conseguimos fazer agora", diz Garcia Ruiz.

"Prevê-se que moléculas contendo rádio sejam sistemas excepcionalmente sensíveis para buscar violações das simetrias fundamentais da natureza", acrescenta. "Agora temos uma maneira de realizar essa busca."

O estudo foi publicado na revista Ciência.