Um novo aparelho do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fez medições extremamente precisas de núcleos de rutênio instáveis. As medições são um marco significativo na física nuclear porque correspondem de perto às previsões feitas por modelos nucleares sofisticados.
“É muito difícil para os modelos teóricos preverem as propriedades de núcleos complexos e instáveis”, disse Bernhard Maass, físico assistente em Argonne e principal autor do estudo. "Demonstramos que uma classe de modelos avançados pode fazer isso com precisão. Nossos resultados ajudam a validar os modelos."
A validação dos modelos pode criar confiança nas suas previsões sobre processos astrofísicos. Estes incluem a formação, evolução e explosões de estrelas onde os elementos são criados.
O estudo foi publicado emCartas de revisão física.
Necessidade de validar modelos teóricos
Os físicos nucleares estão desenvolvendo modelos teóricos mais avançados para prever com precisão as propriedades de núcleos atômicos instáveis com estruturas, formas e forças complicadas. Tais modelos têm o potencial de aprofundar a nossa compreensão do funcionamento interno dos núcleos atómicos.
No entanto, é essencial demonstrar a precisão destes modelos antes que possam ser utilizados para expandir as fronteiras da ciência. Isso exige a difícil tarefa de coletar medições precisas e{1}}do mundo real de núcleos complexos e comparar as medições com as previsões dos modelos.
O rutênio é um elemento ideal para validar modelos teóricos avançados. Este metal raro possui isótopos-átomos do mesmo elemento com um número diferente de nêutrons e estabilidade variável-conhecido por ter núcleos com estruturas e formas complexas. Há uma série de isótopos de rutênio radioativos instáveis que se acredita terem uma forma triaxial, semelhante a uma amêndoa ou grão de café.
Medindo as propriedades do rutênio
A equipe de pesquisa usou o aparelho Argonne Tandem Hall Laser Beamline para Espectroscopia de Átomos e Íons (ATLANTIS) para medir nove isótopos radioativos de rutênio. Este novo dispositivo foi instalado no Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS é uma instalação de usuário do DOE em Argonne com um acelerador linear supercondutor projetado para estudar as propriedades dos núcleos.
Os pesquisadores obtiveram acesso a isótopos radioativos de rutênio de outro instrumento ATLAS, o Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU pode fornecer rutênio radioativo por meio da fissão de uma pequena quantidade de califórnio-um elemento raro e altamente radioativo.
“Os isótopos de rutênio que estudamos duram apenas um segundo antes de se decomporem em outros elementos”, disse Maass. "O ATLANTIS realiza uma técnica chamada espectroscopia a laser colinear. Ela nos permite coletar medições em quantidades muito pequenas desses isótopos em menos de um segundo."
Usando o ATLANTIS, os pesquisadores direcionaram um feixe de laser no mesmo caminho de um feixe de átomos de rutênio. Em certas frequências do laser, os átomos foram excitados e começaram a fluorescer, indicando que foram emitidos fótons de luz. A equipe identificou as frequências do laser nas quais as emissões de fótons atingiram o pico. Este processo foi repetido para os nove isótopos de rutênio. Para cada isótopo, o pico de emissão mudou para uma frequência ligeiramente diferente.
“Podemos usar esta mudança de isótopos para derivar as diferenças nos tamanhos nucleares dos isótopos”, disse Maass.
A equipe comparou essas mudanças de tamanho com as previsões dos modelos Bruxelas-Skyrme-on-a-Grid (BSkG), que estão entre os mais avançados do mundo para estrutura nuclear. Ao contrário dos modelos nucleares tradicionais mais antigos, eles consideram as forças e interações específicas entre todos os nêutrons e prótons de um núcleo.
Os pesquisadores encontraram excelente concordância entre seus resultados e as previsões dos modelos BSkG, apontando para a robustez dos modelos.
Notavelmente, ao tentar permitir medições precisas, a equipe também avançou na tecnologia de espectroscopia a laser colinear. Especificamente, eles desenvolveram e implementaram novas técnicas eficazes que neutralizam o feixe atômico e o "agrupam" em pulsos.
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Implicações para a astrofísica
O estudo mostrou que os modelos BSkG podem fazer previsões de núcleos triaxiais instáveis com notável precisão. Esses modelos poderosos podem ajudar os astrofísicos a esclarecer como o universo funciona.
“Os astrofísicos sabem que núcleos radioativos instáveis desempenham um papel importante na formação de estrelas e elementos no universo”, disse Maass.
"Para compreender melhor o nosso universo, precisamos de saber como os núcleos estão estruturados e como interagem. Precisamos de ser capazes de prever propriedades de núcleos exóticos que não podem ser produzidos em aceleradores de partículas modernos."
Três dos autores do estudo desenvolveram os modelos BSkG: Wouter Ryssens e Guilherme Grams, ambos da Université libre de Bruxelles, na Bélgica, e Michael Bender, do Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon, na França.
Além de Maass, Ryssens, Grams e Bender, os experimentos e a construção do ATLANTIS foram uma colaboração entre pesquisadores de Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard e Adrian Valverde), da Universidade Técnica de Darmstadt na Alemanha e do Centro para Feixes de Isótopos Raros da Universidade Estadual de Michigan.
O ATLANTIS está disponível para instituições colaboradoras realizarem medições de espectroscopia a laser colinear para uma variedade de necessidades de pesquisa. Para explorar oportunidades de colaboração, entre em contato com Maass.
