Físicos do MIT e de outros lugares estão lançando feixes de íons em nuvens de prótons - como lançar dardos nucleares à velocidade da luz - para mapear a estrutura do núcleo de um átomo.

O experimento é uma inversão dos aceleradores de partículas usuais, que lançam elétrons em núcleos atômicos para sondar suas estruturas. A equipe usou essa abordagem de "cinemática inversa" para filtrar as coisas confusas, influências da mecânica quântica dentro de um núcleo, para fornecer uma visão clara dos prótons e nêutrons de um núcleo, bem como seus pares correlacionados de curto alcance (SRC). Esses são pares de prótons ou nêutrons que se ligam brevemente para formar gotículas superdensas de matéria nuclear e que se acredita que dominem os ambientes ultradensos nas estrelas de nêutrons.

Os resultados, publicado hoje em Física da Natureza , demonstrar que a cinemática inversa pode ser usada para caracterizar a estrutura de núcleos mais instáveis ​​- ingredientes essenciais que os cientistas podem usar para entender a dinâmica das estrelas de nêutrons e os processos pelos quais elas geram elementos pesados.

"Abrimos a porta para estudar pares SRC, não apenas em núcleos estáveis, mas também em núcleos ricos em nêutrons que são muito abundantes em ambientes como fusões de estrelas de nêutrons, "diz o co-autor do estudo, Or Hen, professor assistente de física no MIT. "Isso nos deixa mais perto de compreender esses fenômenos astrofísicos exóticos."

Os co-autores de Hen incluem Jullian Kahlbow e Efrain Segarra do MIT, Eli Piasetzky da Universidade de Tel-Aviv, e pesquisadores da Universidade Técnica de Darmstadt, o Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear (JINR) na Rússia, a Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA), e o Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados ​​na Alemanha.

Um acelerador invertido

Os aceleradores de partículas normalmente sondam estruturas nucleares por meio de espalhamento de elétrons, em que elétrons de alta energia são irradiados para uma nuvem estacionária de núcleos alvo. Quando um elétron atinge um núcleo, elimina prótons e nêutrons, e o elétron perde energia no processo. Os pesquisadores medem a energia do feixe de elétrons antes e depois dessa interação para calcular as energias originais dos prótons e nêutrons que foram expelidos.

Embora o espalhamento de elétrons seja uma maneira precisa de reconstruir a estrutura de um núcleo, também é um jogo de azar. A probabilidade de que um elétron atinja um núcleo é relativamente baixa, dado que um único elétron é incrivelmente pequeno em comparação com um núcleo inteiro. Para aumentar essa probabilidade, os feixes são carregados com densidades de elétrons cada vez maiores.

Os cientistas também usam feixes de prótons em vez de elétrons para sondar os núcleos, já que os prótons são comparativamente maiores e têm maior probabilidade de atingir seu alvo. Mas os prótons também são mais complexos, e feito de quarks e glúons, cujas interações podem turvar a interpretação final do próprio núcleo.

Para obter uma imagem mais clara, os físicos nos últimos anos inverteram a configuração tradicional:ao apontar um feixe de núcleos, ou íons, em um alvo de prótons, os cientistas não podem apenas medir diretamente os prótons e nêutrons nocauteados, mas também compare o núcleo original com o núcleo residual, ou fragmento nuclear, depois de interagir com um próton alvo.

"Com cinemática invertida, sabemos exatamente o que acontece com um núcleo quando removemos seus prótons e nêutrons, "Hen diz.

Peneiração quântica

A equipe usou essa abordagem de cinemática invertida para energias ultra-altas, usando o acelerador de partículas do JINR para direcionar uma nuvem estacionária de prótons com um feixe de núcleos de carbono-12, que dispararam a 48 bilhões de elétron-volts - ordens de magnitude maiores do que as energias encontradas naturalmente nos núcleos.

Com energias tão altas, qualquer núcleo que interage com um próton vai se destacar nos dados, em comparação com núcleons não interagentes que passam com energias muito mais baixas. Desta maneira, os pesquisadores podem isolar rapidamente quaisquer interações que ocorram entre um núcleo e um próton.

A partir dessas interações, a equipe escolheu os fragmentos nucleares residuais, procurando por boro-11 - uma configuração de carbono-12, menos um único próton. Se um núcleo começou como carbono-12 e acabou como boro-11, só poderia significar que encontrou um próton alvo de uma forma que eliminou um único próton. Se o próton alvo eliminou mais de um próton, teria sido o resultado de efeitos da mecânica quântica dentro do núcleo que seriam difíceis de interpretar. A equipe isolou o boro-11 como uma assinatura clara e descartou qualquer isqueiro, fragmentos influenciados por quantum.

A equipe calculou a energia do próton eliminado do núcleo original de carbono-12, com base em cada interação que produziu o boro-11. Quando eles definem as energias em um gráfico, o padrão se encaixa exatamente com a distribuição bem estabelecida do carbono-12 - uma validação do invertido, abordagem de alta energia.

Eles então transformaram a técnica em pares correlacionados de curto alcance, procurando ver se eles poderiam reconstruir as respectivas energias de cada partícula em um par - informação fundamental para entender a dinâmica em estrelas de nêutrons e outros objetos densos de nêutrons.

Eles repetiram o experimento e desta vez procuraram por boro-10, uma configuração de carbono-12, menos um próton e um nêutron. Qualquer detecção de boro-10 significaria que um núcleo de carbono-12 interagiu com um próton alvo, que eliminou um próton, e seu parceiro vinculado, um nêutron. Os cientistas puderam medir as energias do alvo e dos prótons nocauteados para calcular a energia do nêutron e a energia do par SRC original.

Em tudo, os pesquisadores observaram 20 interações SRC e a partir delas mapearam a distribuição do carbono-12 das energias SRC, que se encaixam bem com experimentos anteriores. Os resultados sugerem que a cinemática inversa pode ser usada para caracterizar pares SRC em núcleos mais instáveis ​​e até mesmo radioativos com muito mais nêutrons.

“Quando tudo está invertido, isso significa que um feixe que passa pode ser feito de partículas instáveis ​​com tempos de vida muito curtos que vivem por um milissegundo, "diz Julian Kahlbow, um pós-doutorado conjunto no MIT e na Tel-aviv University e co-autor do artigo. "Esse milissegundo é suficiente para nós criá-lo, deixe-o interagir, e deixe pra lá. Então, agora podemos adicionar sistematicamente mais nêutrons ao sistema e ver como esses SRCs evoluem, que nos ajudará a informar o que acontece nas estrelas de nêutrons, que têm muito mais nêutrons do que qualquer outra coisa no universo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.