Um colisor microscópico com monofluoreto de rádio para sondar o núcleo com eletrões

Por muitos anos, para investigar como funciona o núcleo de um átomo por dentro, cientistas dependeram de complexos aceleradores de partículas capazes de despedaçar núcleos ao bombardeá-los com eletrões.

Esses equipamentos costumam exigir infraestruturas gigantescas - algumas com vários quilómetros de extensão - para acelerar eletrões a velocidades extremas, na tentativa de arrancar do núcleo os seus segredos.

Um “colisor” microscópico dentro de uma molécula diatómica

Um novo estudo, porém, propõe um caminho alternativo, mais simples e em escala muito menor. Em vez de todo esse aparato, os investigadores extraíram informações do interior do núcleo recorrendo aos próprios eletrões do átomo como “mensageiros” dentro de uma molécula diatómica.

A estratégia consistiu em combinar um átomo de rádio com um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Ao explorar características do ambiente intramolecular, eles montaram uma espécie de colisor microscópico no qual os eletrões do rádio, por instantes, penetraram no seu núcleo.

Com isso, foi possível acompanhar com alta precisão as energias dos eletrões na molécula, o que revelou um pequeno desvio energético. A interpretação foi que os eletrões estavam a fazer incursões rápidas no núcleo de rádio e a interagir com o que há lá dentro.

Esse resultado pode abrir uma nova forma de medir a distribuição magnética de um núcleo - isto é, como a disposição de protões e neutrões influencia as suas propriedades magnéticas.

Por que o monofluoreto de rádio pode revelar pistas sobre matéria e antimatéria

Os autores sublinham que o estudo é apenas um primeiro passo, mas dizem pretender usar a técnica para iluminar melhor o núcleo do rádio. Um avanço desse tipo pode ajudar a enfrentar questões centrais da física, como o motivo de o Universo aparentar conter muito mais matéria do que antimatéria.

"Os nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que visam medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear", afirma o físico do MIT e coautor do estudo Ronald Fernando Garcia Ruiz. "Isto pode oferecer respostas a algumas das questões mais prementes da física moderna."

Os modelos atuais indicam que o Universo ainda bebé deve ter reunido quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria, mas a segunda é estranhamente rara. Em vez disso, hoje observamos sobretudo matéria no Universo - uma aparente violação da simetria esperada entre as duas.

Os cientistas suspeitam que as respostas possam estar em certos núcleos atómicos, cujo interior pode conter indícios sobre a escassez dos equivalentes de antimatéria.

Nesse contexto, o rádio seria um candidato especialmente promissor, segundo a equipa, por causa da forma de pera do seu núcleo. A maioria dos núcleos atómicos é esférica; já a arquitetura assimétrica do rádio pode aumentar a capacidade de observar violações de simetrias fundamentais.

"Prevê-se que o núcleo do rádio amplifique essa quebra de simetria, porque o seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante invulgar", diz Garcia Ruiz.

Ainda assim, trata-se de um desafio difícil.

"O rádio é naturalmente radioativo, tem um tempo de vida curto e, atualmente, só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas", diz o autor principal e físico Shane Wilkins, ex-pós-doutorando do MIT e hoje na Michigan State University. "Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para conseguir medi-las."

Como os eletrões entram no núcleo e deixam um sinal mensurável

O ponto essencial, explica o coautor Silviu-Marian Udrescu, físico na Johns Hopkins University que contribuiu para o estudo enquanto era estudante de pós-graduação no MIT, é inserir o átomo de rádio numa molécula, que restringe e intensifica a atividade dos seus eletrões.

"Quando se coloca este átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que os seus eletrões sentem é ordens de grandeza maior do que os campos que conseguimos produzir e aplicar num laboratório", afirma Udrescu. "De certa forma, a molécula funciona como um enorme acelerador de partículas e dá-nos uma melhor hipótese de sondar o núcleo do rádio."

No monofluoreto de rádio, os eletrões do átomo de rádio ficaram condicionados de um modo que aumentou a probabilidade de entrarem no núcleo. Os investigadores aprisionaram e arrefeceram as moléculas e, em seguida, usaram lasers para medir as energias dos eletrões no seu interior.

Desvios muito pequenos, mas relevantes, nos dados sugeriram essas entradas no núcleo.

"Há muitos experimentos a medir interações entre núcleos e eletrões fora do núcleo, e sabemos como essas interações se manifestam", diz Wilkins.

"Quando fomos medir essas energias eletrónicas com grande precisão, o resultado não batia com o que esperávamos, assumindo que elas interagiam apenas fora do núcleo", acrescenta. "Isso mostrou-nos que a diferença tinha de vir de interações dos eletrões dentro do núcleo."

Segundo os autores, a descoberta pode transformar a nossa capacidade de estudar núcleos atómicos - ainda que saibamos o quão teimosamente esquivos podem ser os fenómenos subatómicos; eles não entregam os seus segredos com facilidade.

"Agora temos prova de que conseguimos amostrar o interior do núcleo. É como conseguir medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas conseguem medir o campo fora, mas medir dentro da bateria é muito mais difícil. E é isso que conseguimos fazer agora", diz Garcia Ruiz.

"Prevê-se que moléculas contendo rádio sejam sistemas excecionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza", acrescenta. "Agora temos uma forma de realizar essa procura."

O estudo foi publicado na Science.