Em uma pesquisa publicada em 23 de outubro na Science, a equipe mediu com precisão a energia dos elétrons que orbitam um átomo de rádio, quimicamente vinculado a um átomo de fluoreto, formando o fluoreto monofluoreto de rádio. Ao usar o ambiente molecular como um simulador microscópico de um colisor de partículas, eles confinaram os elétrons do átomo de rádio e aumentaram a probabilidade de que alguns passassem brevemente pelo núcleo.

Os experimentos tradicionais que investigam os interiores nucleares dependem de aceleradores de escala quilométrica que aceleram feixes de elétrons para colidir e fragmentar núcleos. A nova abordagem centrada na molécula fornece uma maneira compacta, de mesa, para sondar diretamente o interior de um núcleo.

Método de Mesa Detecta “Mensagens” Nucleares

Trabalhando com o fluoreto monofluoreto de rádio, os pesquisadores rastrearam as energias dos elétrons do átomo de rádio enquanto se moviam dentro da molécula. Eles observaram um pequeno desvio na energia e concluíram que alguns elétrons devem ter entrado brevemente no núcleo e interagido com o que está dentro dele. À medida que esses elétrons saíam, eles retinham a mudança de energia, carregando efetivamente uma “mensagem” nuclear que revela características do interior do núcleo.

O método abre um caminho para medir a “distribuição magnética nuclear.” Dentro de um núcleo, cada próton e nêutron se comporta como um pequeno ímã, e suas orientações dependem de como essas partículas estão arranjadas. A equipe planeja usar a técnica para mapear essa propriedade no rádio pela primeira vez, um passo que pode informar um dos enigmas centrais da cosmologia: por que o universo contém muito mais matéria do que antimateria.

“Nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que buscam medir violações de simetrias fundamentais no nível nuclear,” diz Ronald Fernando Garcia Ruiz, co-autor do estudo e Professor Associado de Física no MIT. “Isso poderia fornecer respostas a algumas das perguntas mais prementes da física moderna.”

Os co-autores do MIT incluem Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Experimento de Espectroscopia de Ionização de Ressonanância Colinear (CRIS) no CERN, na Suíça, onde os experimentos foram realizados.

Desbalanceio Matéria-Antimateria e o Papel do Rádio

Segundo o entendimento atual, o universo primordial deveria conter quantidades quase iguais de matéria e antimateria. No entanto, quase tudo o que podemos detectar hoje é matéria composta de prótons e nêutrons dentro de núcleos atômicos.

Essa observação conflita com as expectativas do Modelo Padrão, sugerindo que são necessárias fontes adicionais de violação de simetria fundamental para explicar a escassez de antimateria. Esses efeitos podem aparecer dentro dos núcleos de certos átomos, incluindo o rádio.

Diferentemente da maioria dos núcleos, que são próximos de esféricos, o núcleo do rádio tem uma forma assimétrica, semelhante a uma pêra. Teóricos preveem que essa geometria pode amplificar os sinais de violação de simetria o suficiente para torná-los potencialmente observáveis.

“O núcleo do rádio é previsto como um amplificador dessa quebra de simetria, porque seu núcleo é assimétrico em carga e massa, algo bastante incomum,” diz Garcia Ruiz, cujo grupo se concentrou no desenvolvimento de métodos para sondar os núcleos de rádio em busca de sinais de violação fundamental de simetrias.

Construindo Experimentos Moleculares Ultra-Sensíveis

Observar o interior de um núcleo de rádio para testar simetrias fundamentais é extremamente desafiador.

“O rádio é naturalmente radioativo, com uma vida útil curta e atualmente só conseguimos produzir moléculas de fluoreto monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas,” diz Shane Wilkins, autor principal do estudo e ex-pós-doc no MIT. “Portanto, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para poder medi-las.”

A equipe reconheceu que embutir um átomo de rádio em uma molécula poderia confinar e amplificar o comportamento de seus elétrons.

“Quando você coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que seus elétrons experimentam é várias ordens de magnitude maior em comparação aos campos que podemos produzir e aplicar em um laboratório,” explica Silviu-Marian Udrescu PhD ’24, co-autor do estudo. “De certa forma, a molécula atua como um grande colisor de partículas e nos dá uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio.”

Desvio de Energia Revela Encontros Elétron-Núcleo

Os pesquisadores criaram o fluoreto monofluoreto de rádio emparelhando átomos de rádio com átomos de fluoreto. Nesta molécula, os elétrons de rádio são efetivamente comprimidos, aumentando a chance de que eles interajam com e entrem brevemente no núcleo de rádio.

Em seguida, eles aprisionaram e resfriaram as moléculas, guiando-as através de câmaras de vácuo e iluminando-as com lasers adaptados para interagir com as moléculas. Esse arranjo permitiu medições precisas das energias dos elétrons dentro de cada molécula.

As energias medidas mostraram uma sutil diferença em relação às expectativas baseadas em elétrons que não entram no núcleo. Embora a mudança de energia tenha sido de cerca de um milionésimo da energia do fóton do laser usado para excitar as moléculas, forneceu evidências claras de que os elétrons interagiram com prótons e nêutrons dentro do núcleo de rádio.

“Existem muitos experimentos medindo interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e sabemos como essas interações se comportam,” explica Wilkins. “Quando fomos medir essas energias dos elétrons com muita precisão, não correspondia exatamente ao que esperávamos, supondo que eles interagissem apenas fora do núcleo. Isso nos disse que a diferença deve ser devido às interações dos elétrons dentro do núcleo.”

“Agora temos a prova de que podemos amostrar o interior do núcleo,” diz Garcia Ruiz. “É como ser capaz de medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas podem medir seu campo do lado de fora, mas medir dentro da bateria é muito mais desafiador. E é isso que agora podemos fazer.”

Próximos Passos: Mapeando Forças e Testando Simetrias

No futuro, a equipe planeja aplicar a nova técnica para mapear a distribuição de forças dentro do núcleo. Seus experimentos até agora envolveram núcleos de rádio que estão em orientações aleatórias dentro de cada molécula a altas temperaturas. Garcia Ruiz e seus colaboradores gostariam de conseguir resfriar essas moléculas e controlar as orientações de seus núcleos em forma de pêra, de modo que possam mapear com precisão seu conteúdo e procurar a violação de simetrias fundamentais.

“Moléculas que contêm rádio são previstas como sistemas excepcionalmente sensíveis para buscar violações das simetrias fundamentais da natureza,” diz Garcia Ruiz. “Agora temos uma maneira de realizar essa busca.”

Essa pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.