O trabalho abre caminho para cálculos precisos da estrutura de outros núcleos.

Em um estudo que combina trabalho experimental e cálculos teóricos possibilitados por supercomputadores, os cientistas determinaram a geometria nuclear de dois isótopos de boro. O resultado pode ajudar a abrir um caminho para cálculos precisos da estrutura de outros núcleos que os cientistas poderiam validar experimentalmente.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em colaboração com cientistas na Alemanha e na Polônia, determinou a diferença em uma quantidade conhecida como raio de carga nuclear entre o boro-10 e o boro-11. O raio da carga nuclear indica o tamanho de um núcleo atômico - que geralmente tem bordas relativamente indistintas.

Os raios de carga nuclear são difíceis de calcular com alta precisão para átomos muito maiores do que o boro devido ao grande número de nêutrons e prótons cujas propriedades e interações devem ser derivadas da mecânica quântica.

A teoria nuclear baseia-se na cromodinâmica quântica (QCD), um conjunto de regras físicas que se aplicam aos quarks e glúons que compõem os prótons e nêutrons dentro do núcleo. Mas tentar resolver a dinâmica nuclear usando apenas o QCD seria uma tarefa quase impossível devido à sua complexidade, e os pesquisadores precisam confiar em pelo menos algumas suposições simplificadoras.

Como o boro é relativamente leve - com apenas cinco prótons e um punhado de nêutrons - a equipe conseguiu modelar com sucesso os dois isótopos de boro no supercomputador Mira e estudá-los experimentalmente usando espectroscopia a laser. Mira faz parte do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um DOE Office of Science User Facility.

"Este é um dos núcleos atômicos mais complicados para o qual é possível chegar experimentalmente a essas medidas precisas e derivá-las teoricamente, "disse o físico nuclear de Argonne Peter Mueller, que ajudou a conduzir o estudo.

Observando como as configurações nucleares do boro-11 ( ¹¹ B) e boro-10 ( ¹⁰ B) diferia envolvia fazer determinações em escalas de comprimento extraordinariamente pequenas:menos de um femtômetro - um quatrilionésimo de um metro. Em uma descoberta contraintuitiva, os pesquisadores determinaram que os 11 núcleos do boro-11 na verdade ocupam um volume menor do que os 10 núcleos do boro-10.

Para olhar experimentalmente para os isótopos de boro, cientistas da Universidade de Darmstadt realizaram espectroscopia a laser em amostras dos isótopos, que fluorescem em frequências diferentes. Embora a maior parte da diferença nos padrões de fluorescência seja causada pela diferença na massa entre os isótopos, há um componente na medição que reflete o tamanho do núcleo, explicou o físico de Argonne, Robert Wiringa.

Para separar esses componentes, colaboradores da Universidade de Varsóvia e da Universidade Adam Mickiewicz em Poznan realizaram cálculos de teoria atômica de última geração que descrevem com precisão a complicada dança dos cinco elétrons ao redor do núcleo do átomo de boro.

"Experimentos anteriores de espalhamento de elétrons não podiam dizer com certeza qual era o maior, "Wiringa disse." Usando esta técnica de espectroscopia de laser, somos capazes de ver com certeza como o nêutron extra liga o boro-11 mais intimamente. "

A boa concordância entre experimento e teoria para as dimensões do núcleo permite aos pesquisadores determinar outras propriedades de um isótopo, como sua taxa de decaimento beta, com maior confiança. "A capacidade de realizar cálculos e experimentos caminham lado a lado para validar e reforçar nossas descobertas, "Disse Mueller.

A próxima etapa da pesquisa provavelmente envolverá o estudo do boro-8, que é instável e tem meia-vida de cerca de um segundo antes de se deteriorar. Porque existem menos nêutrons no núcleo, é muito menos limitado do que seus vizinhos estáveis ​​e acredita-se que tenha um raio de carga estendido, Disse Mueller. "Há uma previsão, mas apenas o experimento nos dirá o quão bem ele realmente modela este sistema vagamente limitado, " ele explicou.

Um artigo baseado na pesquisa, "Raios de carga nuclear de 10, 11B, "aparece na edição de 10 de maio da Cartas de revisão física .