Há pouco mais de uma década, os cientistas levaram os átomos de magnésio a novos limites, atolando nêutrons extras em seus núcleos em direção - e possivelmente alcançando - o limite máximo desse elemento.

Agora, uma equipe internacional liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) reproduziu este sistema exótico, conhecido como magnésio-40, e reuniu pistas novas e surpreendentes sobre sua estrutura nuclear.

"Magnésio-40 fica em um cruzamento onde há muitas perguntas sobre como realmente se parece, "disse Heather Crawford, um cientista da equipe da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab e principal autor deste estudo, publicado online em 7 de fevereiro no Cartas de revisão física Diário. "É uma espécie extremamente exótica."

Enquanto o número de prótons (que têm carga elétrica positiva) em seu núcleo atômico define o número atômico de um elemento - onde ele se encontra na tabela periódica - o número de nêutrons (que não têm carga elétrica) pode ser diferente. O tipo mais comum e estável de átomo de magnésio encontrado na natureza tem 12 prótons, 12 nêutrons, e 12 elétrons (que têm carga negativa).

Os átomos do mesmo elemento com diferentes contagens de nêutrons são conhecidos como isótopos. O isótopo magnésio-40 (Mg-40) que os pesquisadores estudaram tem 28 nêutrons, que pode ser o máximo para átomos de magnésio. Para um determinado elemento, o número máximo de nêutrons em um núcleo é referido como a "linha de gotejamento de nêutrons - se você tentar adicionar outro nêutron quando ele já estiver em sua capacidade, o nêutron extra imediatamente "pingará" do núcleo.

"É extremamente rico em nêutrons, "Crawford disse." Não se sabe se o Mg-40 está na linha de gotejamento, mas com certeza está muito perto. Este é um dos isótopos mais pesados ​​que você pode alcançar experimentalmente perto da linha de gotejamento. "

A forma e a estrutura dos núcleos próximos à linha de gotejamento são particularmente interessantes para os físicos nucleares porque podem ensinar-lhes coisas fundamentais sobre como os núcleos se comportam nos extremos da existência.

"A questão interessante em nossas mentes o tempo todo, quando você chega tão perto da linha de gotejamento, é:'A maneira como os nêutrons e prótons se organizam muda?' ", disse Paul Fallon, um cientista sênior da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab e co-autor do estudo. "Um dos principais objetivos do campo da física nuclear é entender a estrutura desde o núcleo de um elemento até a linha de gotejamento."

Esse entendimento fundamental pode informar teorias sobre processos explosivos, como a criação de elementos pesados ​​em fusões e explosões de estrelas, ele disse.

O estudo é baseado em experimentos na Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), que está localizado no RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science em Wako, Japão. Os pesquisadores combinaram a potência de três cíclotrons - um tipo de acelerador de partículas desenvolvido pela primeira vez pelo fundador do Berkeley Lab, Ernest Lawrence, em 1931 - para produzir feixes de partículas de altíssima energia viajando a cerca de 60% da velocidade da luz.

A equipe de pesquisa usou um poderoso feixe de cálcio-48, que é um isótopo estável de cálcio com um número mágico de prótons (20) e nêutrons (28), para atingir um disco giratório de carbono de vários milímetros de espessura.

Alguns dos núcleos de cálcio-48 colidiram com os núcleos de carbono, em alguns casos, produzindo um isótopo de alumínio conhecido como alumínio-41. O experimento de física nuclear separou esses átomos de alumínio-41, que foram então canalizados para atingir um alvo de plástico (CH2) de centímetros de espessura. O impacto com este alvo secundário derrubou um próton de alguns dos núcleos de alumínio-41, criando núcleos de Mg-40.

Este segundo alvo foi cercado por um detector de raios gama, e os pesquisadores foram capazes de investigar os estados excitados do Mg-40 com base nas medições dos raios gama emitidos nas interações feixe-alvo.

Além de Mg-40, as medições também capturaram as energias de estados excitados em outros isótopos de magnésio, incluindo Mg-36 e Mg-38.

"A maioria dos modelos disse que o Mg-40 deve ser muito semelhante aos isótopos mais leves, - Crawford disse. - Mas não aconteceu. Quando vemos algo que parece muito diferente, então o desafio é que novas teorias capturem tudo isso. "

Como as teorias agora discordam do que foi visto nos experimentos, novos cálculos são necessários para explicar o que está mudando na estrutura dos núcleos do Mg-40 em comparação com o Mg-38 e outros isótopos.

Fallon disse que muitos cálculos sugerem que os núcleos de Mg-40 são muito deformados, e possivelmente em forma de futebol, assim, os dois nêutrons adicionados ao Mg-40 podem estar zunindo em torno do núcleo para formar o chamado núcleo halo, em vez de serem incorporados à forma exibida pelos isótopos de magnésio vizinhos.

"Nós especulamos sobre algumas das físicas, mas isso tem que ser confirmado por cálculos mais detalhados, " ele disse.

Crawford disse que medições adicionais e teoria funcionam em Mg-40, e que os isótopos próximos poderiam ajudar a identificar positivamente a forma do núcleo do Mg-40, e explicar o que está causando a mudança na estrutura nuclear.

Os pesquisadores notaram que a instalação de física nuclear para feixes de isótopos raros, um novo DOE Office of Science User Facility que está em construção na Michigan State University, combinado com o Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) sendo construído no Berkeley Lab, permitirá mais estudos de outros elementos próximos à linha de gotejamento nuclear.