Ao combinar um poderoso conjunto de instrumentos com algum conhecimento experimental, os físicos detectaram pela primeira vez o oxigênio-28 – um isótopo de oxigênio que possui 12 nêutrons extras embalados em seu núcleo. Os cientistas previram há muito tempo que este isótopo é invulgarmente estável. Mas as observações iniciais do núcleo O28 sugerem que este não é o caso: desintegra-se rapidamente após a criação, relata uma equipe na Nature. Se os resultados puderem ser replicados, os físicos poderão precisar atualizar as teorias de como os núcleos atômicos são estruturados.
A força mais forte do Universo é aquela que mantém unidos os prótons e nêutrons no núcleo de um átomo. Para descobrir como os elementos são forjados, a física das estrelas de nêutrons e muito mais, os cientistas precisam de compreender melhor esta forte força nuclear, diz Takashi Nakamura, físico do Instituto de Tecnologia de Tóquio. Ele e outros pesquisadores estão testando teorias sobre como os núcleos atômicos se mantêm unidos, levando-os a extremos. Uma forma popular é carregar núcleos leves, como o oxigênio, com excesso de nêutrons e ver o que acontece.
As teorias atuais afirmam que os núcleos atômicos com certo número de prótons e nêutrons são inerentemente estáveis. Isto ocorre porque prótons e nêutrons preenchem “conchas” no núcleo. Quando uma camada é preenchida com o número certo de prótons ou nêutrons, torna-se extremamente difícil adicionar ou retirar partículas. Estes são números “mágicos” e acredita-se que incluam 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 partículas. Se um núcleo tiver um número mágico de nêutrons e prótons, ele se tornará “duplamente mágico” – e, portanto, ainda mais estável.
A forma mais abundante de oxigênio, O16, é duplamente mágica, por causa de seus oito prótons e oito nêutrons. Há muito se prevê que o oxigênio-28, com 8 prótons e 20 nêutrons, também seja duplamente mágico. Mas os físicos não foram capazes de detectá-lo antes.
Caçadores de fantasmas
Observar O28 exigiu vários feitos experimentais. A chave para toda a operação foram os intensos fluxos de isótopos radioativos produzidos pela Riken RI Beam Factory em Wako, Japão. Os cientistas dispararam um feixe de isótopos de cálcio-48 contra um alvo de berílio, que criou um isótopo de flúor-29. O núcleo deste isótopo tem um próton a mais que o O28, mas o mesmo número de nêutrons. Em seguida, os cientistas transformaram o F29 em uma espessa barreira de hidrogênio líquido, expulsando um próton do núcleo e gerando O28.
Esta forma rara de oxigênio teve vida muito curta para ser observada diretamente. Em vez disso, a equipe detectou os seus produtos de decaimento: oxigénio-24 mais quatro nêutrons, uma medição que parecia impossível apenas há alguns anos.
Já foram feitas medições de até dois nêutrons ao mesmo tempo, mas esta é a primeira vez que os cientistas detectam quatro simultaneamente, diz Nakamura. “Eles são como fantasmas”, diz ele sobre os nêutrons. Sem carga elétrica, os nêutrons não podem ser manipulados da mesma forma que os prótons (O24, com seus oito prótons carregados positivamente, poderia ser introduzido em um detector com ímãs). Para observar nêutrons individuais, a equipe utilizou um poderoso detector construído para esse fim, emprestado pelo Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados, em Darmstadt, Alemanha, além dos instrumentos da Riken. Neste detector especializado, os nêutrons que chegam são revelados quando eles derrubam os prótons. Nakamura diz que o autor principal do estudo, o físico do Instituto de Tecnologia de Tóquio, Yosuke Kondo, usou simulações para ajudar a verificar essas medições complicadas.
“Eles realmente fizeram o dever de casa”, diz Robert Janssens, físico da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill. “Eles fizeram todas as verificações que você poderia fazer. É um tour de force.”
Limites atômicos
Embora a equipe não tenha conseguido obter uma medição exata da vida útil do O28, Nakamura diz que o isótopo não se comportou como se fosse duplamente mágico – ele se desfez quase assim que surgiu.
“Fiquei surpreso”, diz ele. “Pessoalmente, achei que era duplamente mágico. Mas isso é o que a natureza diz.”
Este não é o primeiro indício de que a lista de números mágicos dos físicos nucleares não é universalmente aplicável, diz Rituparna Kanungo, física da Universidade de Saint Mary em Halifax, Canadá. Ela fez parte de uma equipe de cientistas que mostrou, em 2009, que o O24 – contrariamente às regras nucleares – tem um núcleo que se comporta como se fosse duplamente mágico. Os seus 8 prótons e 16 nêutrons estão fortemente ligados uns aos outros, proporcionando-lhe uma vida útil relativamente longa – são necessários cerca de 61 milissegundos para que metade do O24 desapareça através do decaimento radioativo. Isto significa que em alguns núcleos, se estiverem fortemente ligados, 16 também poderá ser um número mágico.
“Os números mágicos não são imutáveis”, diz Janssens.
Por enquanto, as qualidades confusas do O28 levantam uma série de questões sobre as forças que mantêm os núcleos unidos. Os físicos estão sonhando acordados com os possíveis próximos passos. Nakamura quer ver se é possível detectar o oxigênio-30. Como a estabilidade de diferentes isótopos é uma medida relativa, seria útil comparar o O28 com este vizinho próximo, mais pesado, ainda não visto.
“É tão simples e complicado”, diz Janssens. “Não sabemos neste momento quantos prótons e nêutrons podemos reunir em um núcleo” e mantê-los unidos, acrescenta. “Em outras palavras, qual é o limite?”
Publicado em 04/09/2023 09h43
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