Cerca de três anos atrás, Wolfgang "Wolfi" Mittig e Yassid Ayyad foram procurar a massa perdida do universo, mais conhecida como matéria escura, no coração de um átomo.
Sua expedição não os levou à matéria escura, mas eles ainda encontraram algo que nunca havia sido visto antes, algo que desafiava a explicação. Bem, pelo menos uma explicação com a qual todos pudessem concordar.

"Tem sido algo como uma história de detetive", disse Mittig, uma Hannah Distinguished Professor do Departamento de Física e Astronomia da Michigan State University e membro do corpo docente da Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB.

"Começamos procurando por matéria escura e não a encontramos", disse ele. "Em vez disso, encontramos outras coisas que têm sido um desafio para a teoria explicar."

Então a equipe voltou ao trabalho, fazendo mais experimentos, reunindo mais evidências para fazer sua descoberta fazer sentido. Mittig, Ayyad e seus colegas reforçaram seu caso no National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL, na Michigan State University.

Trabalhando na NSCL, a equipe encontrou um novo caminho para seu destino inesperado, detalhado em 28 de junho na revista Physical Review Letters . Ao fazer isso, eles também revelaram uma física interessante que está em andamento no reino quântico ultra-pequeno das partículas subatômicas.

Em particular, a equipe confirmou que quando o núcleo de um átomo, ou núcleo, está cheio de nêutrons, ele ainda pode encontrar um caminho para uma configuração mais estável cuspindo um próton.

Tiro no escuro

A matéria escura é uma das coisas mais famosas do universo sobre as quais menos sabemos. Por décadas, os cientistas sabem que o cosmos contém mais massa do que podemos ver com base nas trajetórias de estrelas e galáxias.

Para que a gravidade mantivesse os objetos celestes presos aos seus caminhos, tinha que haver massa invisível e muito – seis vezes a quantidade de matéria regular que podemos observar, medir e caracterizar. Embora os cientistas estejam convencidos de que a matéria escura existe, eles ainda precisam descobrir onde e como detectá-la diretamente.

"Encontrar matéria escura é um dos principais objetivos da física", disse Ayyad, pesquisador de física nuclear do Instituto Galego de Física de Altas Energias, ou IGFAE, da Universidade de Santiago de Compostela, na Espanha.

Falando em números redondos, os cientistas lançaram cerca de 100 experimentos para tentar esclarecer o que exatamente é a matéria escura, disse Mittig.

"Nenhum deles teve sucesso após 20, 30, 40 anos de pesquisa", disse ele.

“Mas havia uma teoria, uma ideia muito hipotética, de que você poderia observar a matéria escura com um tipo muito particular de núcleo”, disse Ayyad, que anteriormente era físico de sistemas detectores na NSCL.

Esta teoria centrou-se no que chama de decadência escura. Ele postulou que certos núcleos instáveis, núcleos que naturalmente se desfazem, poderiam descartar a matéria escura à medida que se desintegravam.

Então Ayyad, Mittig e sua equipe projetaram um experimento que poderia procurar uma decadência escura, sabendo que as probabilidades estavam contra eles. Mas a aposta não foi tão grande quanto parece porque sondar decaimentos exóticos também permite que os pesquisadores entendam melhor as regras e estruturas dos mundos nuclear e quântico.

Os pesquisadores tiveram uma boa chance de descobrir algo novo. A questão era o que seria.

Ajuda de uma auréola

Quando as pessoas imaginam um núcleo, muitos podem pensar em uma bola irregular composta de prótons e nêutrons, disse Ayyad. Mas os núcleos podem assumir formas estranhas, incluindo o que é conhecido como núcleos de halo.

Berílio-11 é um exemplo de núcleos de halo. É uma forma, ou isótopo, do elemento berílio que tem quatro prótons e sete nêutrons em seu núcleo. Ele mantém 10 dessas 11 partículas nucleares em um aglomerado central apertado. Mas um nêutron flutua longe desse núcleo, frouxamente ligado ao resto do núcleo, como a lua girando ao redor da Terra, disse Ayyad.

Berílio-11 também é instável. Após uma vida útil de cerca de 13,8 segundos, ele se desfaz pelo que é conhecido como decaimento beta. Um de seus nêutrons ejeta um elétron e se torna um próton. Isso transforma o núcleo em uma forma estável do elemento boro com cinco prótons e seis nêutrons, boro-11.

Mas, de acordo com essa teoria muito hipotética, se o nêutron que decai for o do halo, o berílio-11 poderia seguir um caminho totalmente diferente:poderia sofrer um decaimento escuro.

Em 2019, os pesquisadores lançaram um experimento na instalação nacional de aceleradores de partículas do Canadá, TRIUMF, procurando por esse decaimento muito hipotético. E eles encontraram uma decadência com probabilidade inesperadamente alta, mas não era uma decadência escura.

Parecia que o nêutron fracamente ligado do berílio-11 estava ejetando um elétron como o decaimento beta normal, mas o berílio não estava seguindo o caminho de decaimento conhecido para o boro.

A equipe levantou a hipótese de que a alta probabilidade do decaimento poderia ser explicada se um estado no boro-11 existisse como uma porta para outro decaimento, para o berílio-10 e um próton. Para qualquer um que estivesse contando, isso significava que o núcleo havia se tornado novamente berílio. Só que agora tinha seis nêutrons em vez de sete.

"Isso acontece apenas por causa do núcleo do halo", disse Ayyad. "É um tipo muito exótico de radioatividade. Na verdade, foi a primeira evidência direta de radioatividade de prótons de um núcleo rico em nêutrons."

Mas a ciência acolhe escrutínio e ceticismo, e o relatório da equipe de 2019 foi recebido com uma dose saudável de ambos. Esse estado de "porta" no boro-11 não parecia compatível com a maioria dos modelos teóricos. Sem uma teoria sólida que desse sentido ao que a equipe viu, diferentes especialistas interpretaram os dados da equipe de maneira diferente e ofereceram outras conclusões potenciais.

"Tivemos muitas discussões longas", disse Mittig. "Foi uma coisa boa."

Por mais benéficas que as discussões fossem – e continuem sendo –, Mittig e Ayyad sabiam que teriam de gerar mais evidências para apoiar seus resultados e hipóteses. Eles teriam que projetar novos experimentos.

Os experimentos NSCL

No experimento da equipe em 2019, o TRIUMF gerou um feixe de núcleos de berílio-11 que a equipe direcionou para uma câmara de detecção onde os pesquisadores observaram diferentes rotas de decaimento possíveis. Isso incluiu o processo de decaimento beta para emissão de prótons que criou o berílio-10.

Para os novos experimentos, que ocorreram em agosto de 2021, a ideia da equipe era essencialmente executar a reação invertida no tempo. Ou seja, os pesquisadores começariam com núcleos de berílio-10 e adicionariam um próton.

Colaboradores na Suíça criaram uma fonte de berílio-10, que tem meia-vida de 1,4 milhão de anos, que a NSCL poderia usar para produzir feixes radioativos com nova tecnologia de reaceleração. A tecnologia evaporou e injetou o berílio em um acelerador e possibilitou aos pesquisadores fazer uma medição altamente sensível.

Quando o berílio-10 absorveu um próton com a energia certa, o núcleo entrou no mesmo estado excitado que os pesquisadores acreditavam ter descoberto três anos antes. Ele até cuspiria o próton de volta, o que pode ser detectado como assinatura do processo.

"Os resultados dos dois experimentos são muito compatíveis", disse Ayyad.

Essa não foi a única boa notícia. Sem o conhecimento da equipe, um grupo independente de cientistas da Florida State University havia desenvolvido outra maneira de investigar o resultado de 2019. Ayyad compareceu a uma conferência virtual onde a equipe do Estado da Flórida apresentou seus resultados preliminares e ficou encorajado com o que viu.

“Fiz uma captura de tela da reunião do Zoom e a enviei imediatamente para Wolfi”, disse ele. "Então, entramos em contato com a equipe do Estado da Flórida e descobrimos uma maneira de apoiar uns aos outros."

As duas equipes entraram em contato enquanto desenvolviam seus relatórios, e ambas as publicações científicas agora aparecem na mesma edição de Physical Review Letters . E os novos resultados já estão gerando um burburinho na comunidade.

"O trabalho está recebendo muita atenção. Wolfi visitará a Espanha em algumas semanas para falar sobre isso", disse Ayyad.

Um caso aberto em sistemas quânticos abertos

Parte da empolgação é porque o trabalho da equipe pode fornecer um novo estudo de caso para o que é conhecido como sistemas quânticos abertos. É um nome intimidador, mas o conceito pode ser pensado como o velho ditado, "nada existe no vácuo".

A física quântica forneceu uma estrutura para entender os componentes incrivelmente minúsculos da natureza:átomos, moléculas e muito, muito mais. Essa compreensão avançou praticamente em todos os domínios da ciência física, incluindo energia, química e ciência dos materiais.

Grande parte dessa estrutura, no entanto, foi desenvolvida considerando cenários simplificados. O superpequeno sistema de interesse estaria isolado de alguma forma do oceano de entrada fornecido pelo mundo ao seu redor. Ao estudar sistemas quânticos abertos, os físicos estão se aventurando longe de cenários idealizados e entrando na complexidade da realidade.

Os sistemas quânticos abertos estão literalmente em toda parte, mas encontrar um que seja tratável o suficiente para aprender algo é um desafio, especialmente em questões do núcleo. Mittig e Ayyad viram potencial em seus núcleos frouxamente ligados e sabiam que NSCL e agora FRIB poderiam ajudar a desenvolvê-lo.

A NSCL, uma instalação de usuários da National Science Foundation que serviu à comunidade científica por décadas, hospedou o trabalho de Mittig e Ayyad, que é a primeira demonstração publicada da tecnologia de reacelerador autônomo. O FRIB, uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA, lançada oficialmente em 2 de maio de 2022, é onde o trabalho pode continuar no futuro.

“Os sistemas quânticos abertos são um fenômeno geral, mas são uma nova ideia na física nuclear”, disse Ayyad. "E a maioria dos teóricos que estão fazendo o trabalho estão no FRIB."

Mas esta história de detetive ainda está em seus primeiros capítulos. Para completar o caso, os pesquisadores ainda precisam de mais dados, mais evidências para entender o que estão vendo. Isso significa que Ayyad e Mittig ainda estão fazendo o que fazem de melhor e investigando.

"Estamos indo em frente e fazendo novos experimentos", disse Mittig. "O tema de tudo isso é que é importante ter bons experimentos com análises fortes." + Explorar mais

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