Pela primeira vez, físicos do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e seus colaboradores, liderado por uma equipe do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, demonstrou um efeito nuclear há muito teorizado. Este avanço testa modelos teóricos que descrevem como os reinos nuclear e atômico interagem e também pode fornecer novos insights sobre como os elementos estelares são criados.

Os físicos primeiro previram o efeito, chamada de excitação nuclear por captura de elétrons (NEEC), mais de 40 anos atrás. Mas os cientistas não tinham visto isso até agora. Usando o Sistema Acelerador Argonne Tandem Linac (ATLAS), e Gammasphere, um poderoso espectrômetro de raios gama, os pesquisadores criaram as condições certas para causar e detectar o comportamento.

O efeito NEEC ocorre quando um átomo carregado captura um elétron, dando ao núcleo do átomo energia suficiente para saltar para um estado de excitação superior.

Um núcleo excitado permanece em cada estado de energia por um tempo antes de decair para o estado abaixo dele, derramando energia na forma de raios gama. Esses estados excitados normalmente duram muito menos do que um bilionésimo de segundo, mas em alguns casos raros, eles podem viver muito mais, mesmo milhões de vezes a idade do universo.

Os estados de energia de vida mais longa são chamados de isômeros, e para observar o efeito NEEC, os pesquisadores produziram um isômero com meia-vida de cerca de sete horas. Em outras palavras, após sete horas de existência no nível de energia isomérica, cerca de metade dos núcleos desse tipo irão se decompor.

Os cientistas escolheram produzir este núcleo, chamado ⁹³ Mo, um isótopo de molibdênio, por causa de seu arranjo único de níveis de energia. "Há um nível de energia permitido não muito acima do estado de isômero, "disse Chris Chiara, do Laboratório de Pesquisa do Exército, o principal cientista do estudo. "Sob circunstâncias normais, o isômero decairá naturalmente após cerca de sete horas, mas se ocorrer NEEC, o núcleo é excitado do isômero para o estado ligeiramente superior. Esse estado então decai rapidamente para um estado abaixo do isômero, emitindo raios gama que têm energias distintas que podemos procurar. "

Fazer ⁹³ Mo, os pesquisadores usaram ATLAS, um DOE Office of Science User Facility, para acelerar um feixe de íons em direção aos átomos em uma folha-alvo onde os núcleos dos dois se fundiram. Essas reações formaram ⁹³ Mo em um estado altamente animado no centro da Gammasfera, que esperou para detectar evidências do efeito na forma de raios gama.

Enquanto o ⁹³ Os átomos de Mo se movem através do material alvo, eles se chocam com átomos que os desaceleram e os retiram de elétrons, colocando-os em um estado de alta carga. Elétrons dos átomos-alvo, em seguida, preenchem essas vagas no ⁹³ Mo, e se os elétrons tiverem a energia certa antes da captura, eles podem excitar o núcleo para o próximo estado mais elevado. Quando este estado decai, o núcleo libera um raio gama que pode ser rastreado até a reação NEEC.

O alvo, feito pelo criador de alvos interno da ATLAS, John Greene, desempenhou um papel crucial na detecção de NEEC. Greene conseguiu trabalhar em tempo real, ajustando o alvo conforme os cientistas aprendiam mais sobre o ⁹³ Núcleo de Mo. Com tudo no lugar, a equipe começou a coletar dados.

"Detectamos raios gama dessas reações ao longo do experimento de três dias, e acumulamos cerca de oito bilhões de eventos no total, "disse Mike Carpenter, um líder de grupo em Argonne responsável pela Gammasfera. "A partir desses eventos, fomos capazes de identificar cerca de 500 raios gama que foram emitidos durante a decadência de ⁹³ Mo que não teria sido lançado se não fosse pelo NEEC. "

O poder e a sensibilidade da Gammasphere foram vitais para o sucesso do experimento. "Usamos um novo modo digital Gammasphere, o que nos permitiu funcionar a uma taxa cerca de cinco vezes maior do que seria possível com o sistema analógico mais antigo, "disse Chiara. Mas não era apenas o hardware da ATLAS que era importante." Como especialistas na área de espectroscopia de raios gama, a equipe de Argonne forneceu suporte técnico e científico inestimável, " ele adicionou.

O sucesso da equipe pode levar a avanços na astronomia e cosmologia, pois pode melhorar a precisão dos modelos que os cientistas usam para avaliar como as estrelas se formam. A quantidade de elementos em uma estrela depende muito da estrutura e do comportamento dos núcleos. Por longos períodos, e com um grande número de átomos interagindo, a sobrevivência - ou destruição - de isômeros específicos pode ter uma influência cumulativa. Levar em consideração o efeito NEEC pode melhorar nossa compreensão do que as estrelas são feitas e como elas evoluem.

Cientistas do Laboratório de Pesquisa do Exército também estão interessados ​​em possíveis aplicações futuras para a liberação controlada de energia nuclear de isômeros por meio do efeito NEEC. Se cientistas e engenheiros pudessem aproveitar essa energia, pode ajudar a desenvolver fontes de energia com 100, 000 vezes mais energia por unidade de massa do que as baterias químicas.

Os resultados do experimento foram publicados em um artigo intitulado "Esgotamento de isômero como evidência experimental de excitação nuclear por captura de elétrons, "em 8 de fevereiro em Natureza .