Um mistério antigo no campo da física nuclear é por que o universo é composto de materiais específicos que vemos ao nosso redor. Em outras palavras, por que é feito "deste" material e não de outro?

Especificamente de interesse são os processos físicos responsáveis ​​pela produção de elementos pesados ​​- como ouro, platina e urânio - que ocorrem durante a fusão de estrelas de nêutrons e eventos estelares explosivos.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) conduziram um experimento de física nuclear internacional conduzido no CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, que utiliza novas técnicas desenvolvidas em Argonne para estudar a natureza e a origem dos elementos pesados ​​do universo. O estudo pode fornecer percepções críticas sobre os processos que trabalham juntos para criar os núcleos exóticos, e informará modelos de eventos estelares e do universo inicial.

Os físicos nucleares da colaboração são os primeiros a observar a estrutura da camada de nêutrons de um núcleo com menos prótons que o chumbo e mais de 126 nêutrons - "números mágicos" no campo da física nuclear.

Com esses números mágicos, dos quais 8, 20, 28, 50 e 126 são valores canônicos, núcleos têm estabilidade aprimorada, tanto quanto os gases nobres fazem com camadas de elétrons fechadas. Os núcleos com nêutrons acima do número mágico de 126 são amplamente inexplorados porque são difíceis de produzir. O conhecimento de seu comportamento é crucial para a compreensão do processo de captura rápida de nêutrons, ou r -processo, que produz muitos dos elementos pesados ​​do universo.

o r -processo é pensado para ocorrer em condições estelares extremas, como fusões de estrelas de nêutrons ou supernovas. Esses ambientes ricos em nêutrons são onde os núcleos podem crescer rapidamente, captura de nêutrons para produzir elementos novos e mais pesados ​​antes que eles tenham chance de decair.

Este experimento focou no isótopo de mercúrio ²⁰⁷ Hg. O estudo de ²⁰⁷ Hg pode lançar luz sobre as propriedades de seus vizinhos próximos, núcleos diretamente envolvidos em aspectos-chave do r -processo.

“Uma das maiores dúvidas deste século é como os elementos se formaram no início do universo, "disse o físico de Argonne Ben Kay, o principal cientista do estudo. "É difícil pesquisar porque não podemos simplesmente desenterrar uma supernova da Terra, então temos que criar esses ambientes extremos e estudar as reações que ocorrem neles. "

Para estudar a estrutura de ²⁰⁷ Hg, os pesquisadores usaram pela primeira vez a instalação HIE-ISOLDE no CERN em Genebra, Suíça. Um feixe de prótons de alta energia foi disparado contra um alvo de chumbo derretido, com as colisões resultantes produzindo centenas de isótopos exóticos e radioativos.

Eles então se separaram ²⁰⁶ Núcleos de Hg de outros fragmentos e usado o acelerador HIE-ISOLDE do CERN para criar um feixe de núcleos com a energia mais alta já alcançada naquela instalação de acelerador. Eles então focaram o feixe em um alvo de deutério dentro do novo Espectrômetro Solenoidal ISOLDE (ISS).

"Nenhuma outra instalação pode fazer feixes de mercúrio dessa massa e acelerá-los a essas energias, "disse Kay." Este, juntamente com o excelente poder de resolução da ISS, nos permitiu observar o espectro de estados excitados em ²⁰⁷ Hg pela primeira vez. "

O ISS é um espectrômetro magnético recém-desenvolvido que os físicos nucleares usaram para detectar instâncias de ²⁰⁶ Núcleos de Hg capturando um nêutron e se tornando ²⁰⁷ Hg. O ímã solenoidal do espectrômetro é um ímã de ressonância magnética supercondutor de 4 Tesla reciclado de um hospital na Austrália. Foi transferido para o CERN e instalado no ISOLDE, graças a uma colaboração liderada pelo Reino Unido entre a Universidade de Liverpool, Universidade de Manchester, Laboratório Daresbury e colaboradores da KU Leuven na Bélgica.

Deutério, um raro isótopo pesado de hidrogênio, consiste em um próton e um nêutron. Quando ²⁰⁶ O Hg captura um nêutron do alvo de deutério, o próton recua. Os prótons emitidos durante essas reações viajam para o detector na ISS, e sua energia e posição fornecem informações importantes sobre a estrutura do núcleo e como ele está interligado. Essas propriedades têm um impacto significativo sobre o r -processo, e os resultados podem informar cálculos importantes em modelos de astrofísica nuclear.

A ISS usa um conceito pioneiro sugerido pelo ilustre colega de Argonne, John Schiffer, que foi construído como o espectrômetro orbital helicoidal do laboratório, HELIOS - o instrumento que inspirou o desenvolvimento do espectrômetro ISS. HELIOS permitiu a exploração de propriedades nucleares que antes eram impossíveis de estudar, mas graças a HELIOS, foram realizados em Argonne desde 2008. A instalação ISOLDE do CERN pode produzir feixes de núcleos que complementam aqueles que podem ser feitos em Argonne.

No século passado, os físicos nucleares conseguiram reunir informações sobre os núcleos a partir do estudo das colisões em que feixes de íons leves atingem alvos pesados. Contudo, quando feixes pesados ​​atingem alvos leves, a física da colisão fica distorcida e mais difícil de analisar. O conceito HELIOS de Argonne foi a solução para remover essa distorção.

"Quando você tem uma bala de canhão atingindo um alvo frágil, a mudança cinemática, e os espectros resultantes são comprimidos, "disse Kay." Mas John Schiffer percebeu que, quando a colisão ocorre dentro de um ímã, os prótons emitidos viajam em um padrão espiral em direção ao detector, e por um 'truque' matemático, isso desdobra a compressão cinemática, resultando em um espectro não compactado que revela a estrutura nuclear subjacente. "

As primeiras análises dos dados do experimento do CERN confirmam as previsões teóricas dos modelos nucleares atuais, e a equipe planeja estudar outros núcleos na região de ²⁰⁷ Hg usando esses novos recursos, dando uma visão mais profunda das regiões desconhecidas da física nuclear e do r -processo.

Os resultados deste estudo foram publicados em um artigo intitulado "Primeira exploração da estrutura da camada de nêutrons abaixo do chumbo e além de N =126" em 13 de fevereiro no Cartas de revisão física .