Não é sempre na física nuclear que você pode obter claramente os dois lados da história, mas um experimento recente permitiu aos pesquisadores fazer exatamente isso. Eles compararam núcleos muito semelhantes entre si para ter uma visão mais clara de como os componentes dos núcleos estão organizados e descobriram que ainda há mais a aprender sobre o cerne da matéria. A pesquisa, realizado no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia, foi publicado recentemente como uma leitura sugerida pelos editores em Cartas de revisão física .

“Queremos estudar a estrutura nuclear, que é basicamente como prótons e nêutrons se comportam dentro de um núcleo, "explica Reynier Cruz-Torres, um pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE que trabalhou no experimento como estudante de graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Fazer isso, podemos medir qualquer núcleo que quisermos. Mas para fazer um teste de alta precisão da teoria nuclear, estamos limitados a núcleos leves que possuem cálculos de precisão. Medir esses núcleos leves é uma referência para a compreensão da estrutura nuclear em geral. "

Para esta medição, os pesquisadores se concentraram em dois dos núcleos mais simples e leves do universo:hélio e hidrogênio. Eles se concentraram em um isótopo de hélio chamado hélio-3, assim chamado porque contém apenas três componentes principais:dois prótons e um nêutron. O isótopo de hidrogênio que eles testaram, trítio, também é composto por três componentes:um próton e dois nêutrons.

"Eles são núcleos de espelho. Então, você pode assumir que os prótons no hélio-3 são basicamente os mesmos que os nêutrons no trítio e vice-versa, "diz Florian Hauenstein, um pesquisador de pós-doutorado conjunto na Old Dominion University e no MIT.

De acordo com os pesquisadores, comparando esses núcleos relativamente simples, eles podem obter uma janela para as fortes interações nucleares que não podem ser duplicadas em outro lugar. Isso porque, como alguns dos núcleos mais leves e menos complicados do universo, esses núcleos são excelentes exemplos de comparação com as teorias do estado da arte que descrevem as estruturas básicas de diferentes núcleos.

"Os cálculos da teoria já existem há algum tempo, mas não sabíamos o quão bom eles são, "explica Dien Nguyen, um pesquisador de pós-doutorado no MIT e Nathan Isgur Fellow em Experimento Nuclear no Jefferson Lab. "Então, com esta pesquisa, podemos dizer quantitativamente o quão bom é o cálculo. Acho que é um passo muito importante. "

Para fazer a comparação, os pesquisadores mediram ambos os núcleos em experimentos de alta precisão no Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (CEBAF), um recurso de usuário DOE baseado no Jefferson Lab.

Elétrons do CEBAF foram direcionados aos núcleos de trítio e hélio-3, onde alguns interagiram com os prótons dos núcleos. Os prótons atingidos e os elétrons em interação foram então capturados e medidos em grandes detectores chamados espectrômetros no Experimental Hall A. do Jefferson Lab.

"Usamos os espectrômetros para estudar as propriedades dessas partículas de estado final e olhar para trás para o núcleo e tentar entender o que estava acontecendo dentro do núcleo antes que a reação ocorresse, "diz Cruz-Torres.

Este experimento foi desafiador e inovador, pois foi conduzido em uma gama mais ampla de energias com uma precisão sem precedentes. Além disso, os dados do trítio são os primeiros a estudar essas reações.

Os pesquisadores então compararam toda a gama de dados dos experimentos aos cálculos teóricos sobre as estruturas dos núcleos do hélio-3 e do trítio. Eles descobriram que os dados geralmente combinavam bem com a teoria para ambos os núcleos com a precisão permitida pelo experimento, um feito que foi descrito por um pesquisador como um triunfo da física nuclear moderna. Contudo, diferenças também foram observadas em relação a alguns dos cálculos, indicando que mais refinamentos nos tratamentos teóricos são necessários.

"Esperávamos que os cálculos de hélio-3 no final combinassem facilmente com os dados, mas na verdade descobriu-se que a seção transversal do trítio se encaixava muito bem no cálculo da teoria, e o hélio-3 nem tanto em toda a gama. Então, precisamos voltar e olhar para o hélio-3, "explica Hauenstein.

Dien confirma que este resultado inesperado é agora o ímpeto para continuar esses estudos de alta precisão de núcleos leves a sério.

"Antes, achamos que tínhamos um bom entendimento dos cálculos, "diz Nguyen." Mas agora, o resultado é o que nos leva a fazer uma medição ainda mais detalhada, porque queremos ter certeza de que temos um bom acordo com a teoria. "