Um novo laboratório dos EUA cria cópias de átomos que não foram registrados na Terra | Física de partículas

Do carbono ao urânio e do oxigênio ao ferro, os elementos químicos são os blocos de construção do mundo ao nosso redor e do universo mais amplo. Agora, os físicos esperam ter um vislumbre sem precedentes de suas origens, com a abertura de uma nova instalação que criará milhares de versões estranhas e instáveis ​​de átomos que nunca foram registrados na Terra.

Ao estudar essas versões, conhecidas como isótopos, eles esperam obter novos insights sobre as interações que criaram Elementos dentro de supernovas, além de testar teorias sobre a “força forte” – uma das quatro forças fundamentais da natureza, que unem prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. A instalação também pode produzir novos análogos para uso médico.

Os átomos são formados por prótons, nêutrons e elétrons. O número de prótons determina o comportamento químico de um átomo e qual elemento ele é – por exemplo, o carbono sempre tem seis prótons, o ouro 79 – enquanto os átomos do mesmo elemento com diferentes números de nêutrons são chamados de isótopos.

Como muitos isótopos são instáveis ​​e decaem rapidamente – às vezes em milissegundos – os cientistas estudaram apenas uma pequena porcentagem desses isótopos que se acredita existirem.

“Existem 285 isótopos de elementos encontrados na Terra, mas achamos que provavelmente existem 10.000 isótopos de elementos até mesmo urânio”, disse o professor Bradley Sherrill, diretor científico da Rare Isotope Rays Facility (FRIB) no estado de Michigan. A universidade abriu oficialmente em 2 de maio. “O objetivo do FRIB é fornecer tanto acesso a esse vasto cenário de outros pares quanto a tecnologia permitir.”

Alguns desses “isótopos raros” podem levar a reações cruciais para a formação dos elementos, portanto, estudando-os, os físicos esperam obter uma melhor compreensão da história química do universo – incluindo como chegamos aqui.

Acredita-se que a grande maioria dos elementos tenha se originado dentro de supernovas, mas “em muitos casos, não sabemos quais estrelas criaram quais elementos, porque essas interações envolvem isótopos instáveis ​​- coisas que não podemos facilmente obter”, disse o professor. Gavin Lotay, físico nuclear da Universidade de Surrey, que planeja usar a nova instalação para investigar explosões comuns chamadas explosões de raios-X dentro de estrelas de nêutrons.

Outro objetivo é entender os núcleos atômicos o suficiente para desenvolver um modelo abrangente deles, o que poderia fornecer novos insights sobre o papel que desempenham na geração de energia para as estrelas, ou as reações que ocorrem dentro das usinas nucleares.

A instalação também pode produzir análogos medicamente úteis. Os médicos já usam radioisótopos em exames de animais de estimação e alguns tipos de radioterapia, mas descobrir mais isótopos pode ajudar a melhorar o diagnóstico por imagem ou fornecer novas maneiras de encontrar e destruir tumores.

Para gerar esses isótopos, o FRIB acelerará um feixe de núcleos atômicos à metade da velocidade da luz e o enviará por um tubo de 450 metros, antes de esmagá-lo em um alvo que quebra alguns dos átomos em grupos menores de prótons e nêutrons. Uma série de ímãs filtrará os isótopos desejados e os direcionará para salas experimentais para estudos adicionais.

“Em um milionésimo de segundo, podemos selecionar um isótopo específico e submetê-lo a um experimento onde [scientists] “Podemos capturá-lo e observar seu decaimento radioativo, ou podemos usá-lo para induzir outra reação nuclear e usar esses produtos de reação para nos dizer algo sobre a estrutura do isótopo”, disse Sherrill.

Os primeiros experimentos envolverão fazer os isótopos mais pesados ​​possíveis de flúor, alumínio, magnésio e neon, e comparar as taxas de decaimento radioativo com as previstas pelos modelos atuais. “Seria uma surpresa se nossas observações fossem consistentes com o que esperávamos”, disse Cheryl. “Eles provavelmente não concordarão, e então usaremos esse desacordo para melhorar nossos modelos.”

Cerca de um mês depois, os pesquisadores do FRIB planejam medir o decaimento radioativo de isótopos que se acredita existirem dentro de estrelas de nêutrons – alguns dos objetos mais densos do universo, que se formam quando uma estrela massiva ficou sem combustível e entrou em colapso – para entender melhor seu comportamento.

“Finalmente, temos as ferramentas para permitir que as pessoas façam a pesquisa que esperam há 30 anos”, disse Cheryl. “É como ter um telescópio novo e maior que pode ver o universo mais do que nunca – só que vamos ver mais longe na paisagem nuclear do que éramos capazes de olhar antes. Sempre que você tem um novo instrumento como esse, há potencial para descoberta.”