Um mistério de longa data no campo da física nuclear é o motivo pelo qual o universo é composto dos materiais específicos que vemos ao nosso redor. Em outras palavras, por que é feito de “isso” e não de outras coisas?
Especificamente de interesse são os processos físicos responsáveis pela produção de elementos pesados – como ouro, platina e urânio – que ocorrem durante fusões de estrelas de nêutrons e eventos estelares explosivos.
Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) lideraram um experimento internacional de física nuclear realizado no CERN, a Organização Europeia de Pesquisa Nuclear, que utiliza novas técnicas desenvolvidas em Argonne para estudar a natureza e a origem de elementos pesados no universo. O estudo pode fornecer insights críticos sobre os processos que trabalham juntos para criar os núcleos exóticos e informará modelos de eventos estelares e do universo primitivo.
Os físicos nucleares da colaboração são os primeiros a observar a estrutura de nêutrons de um núcleo com menos prótons que chumbo e mais de 126 nêutrons – “números mágicos” no campo da física nuclear.
Nesses números mágicos, dos quais 8, 20, 28, 50 e 126 são valores canônicos, os núcleos têm estabilidade aprimorada, assim como os gases nobres fazem com invólucros de elétrons fechados. Núcleos com nêutrons acima do número mágico de 126 são pouco explorados porque são difíceis de produzir. O conhecimento de seu comportamento é crucial para a compreensão do processo rápido de captura de nêutrons, ou processo r, que produz muitos dos elementos pesados do universo.
Pensa-se que o processo-r ocorra em condições estelares extremas, como fusões de estrelas de nêutrons ou supernovas. Esses ambientes ricos em nêutrons são onde os núcleos podem crescer rapidamente, capturando nêutrons para produzir elementos novos e mais pesados antes que eles tenham chance de decair.
Este experimento se concentrou no isótopo de mercúrio 207Hg. O estudo de 207Hg poderia lançar luz sobre as propriedades de seus vizinhos próximos, núcleos diretamente envolvidos em aspectos-chave do processo r.
“Uma das maiores questões deste século foi como os elementos se formaram no início do universo”, disse o físico de Argonne Ben Kay, o principal cientista do estudo. “É difícil pesquisar porque não podemos simplesmente desenterrar uma supernova da terra, por isso precisamos criar esses ambientes extremos e estudar as reações que ocorrem neles”.
Para estudar a estrutura do 207Hg, os pesquisadores usaram primeiro a instalação do HIE-ISOLDE no CERN em Genebra, Suíça. Um feixe de prótons de alta energia foi disparado contra um alvo de chumbo derretido, com as colisões resultantes produzindo centenas de isótopos exóticos e radioativos.
Eles então separaram os núcleos de 206Hg dos outros fragmentos e usaram o acelerador HIE-ISOLDE do CERN para criar um feixe de núcleos com a maior energia já alcançada naquela instalação do acelerador. Eles então focalizaram o feixe em um alvo de deutério dentro do novo espectrômetro solenoidal ISOLDE (ISS).
“Nenhuma outra instalação pode produzir feixes de mercúrio dessa massa e acelerá-los para essas energias”, disse Kay. “Isso, juntamente com o excelente poder de resolução da ISS, permitiu observar pela primeira vez o espectro de estados excitados em 207Hg”.
O ISS é um espectrômetro magnético recém-desenvolvido que os físicos nucleares usaram para detectar instâncias de núcleos de 206Hg que capturam um nêutron e se tornam 207Hg. O ímã solenoidal do espectrômetro é um ímã de ressonância magnética supercondutora de 4 Tesla reciclado de um hospital na Austrália. Foi transferido para o CERN e instalado no ISOLDE, graças a uma colaboração liderada pelo Reino Unido entre a Universidade de Liverpool, a Universidade de Manchester, o Laboratório Daresbury e os colaboradores da KU Leuven na Bélgica.
O deutério, um isótopo pesado raro de hidrogênio, consiste em um próton e um nêutron. Quando 206Hg captura um nêutron do alvo do deutério, o próton recua. Os prótons emitidos durante essas reações viajam para o detector na ISS, e sua energia e posição produzem informações importantes sobre a estrutura do núcleo e como ele está ligado. Essas propriedades têm um impacto significativo no processo r, e os resultados podem informar cálculos importantes em modelos de astrofísica nuclear.
A ISS usa um conceito pioneiro sugerido pelo ilustre colega John Schiffer, de Argonne, que foi construído como o espectrômetro orbital helicoidal do laboratório, HELIOS – o instrumento que inspirou o desenvolvimento do espectrômetro ISS. O HELIOS permitiu a exploração de propriedades nucleares que antes eram impossíveis de estudar, mas, graças ao HELIOS, são realizadas em Argonne desde 2008. A instalação ISOLDE do CERN pode produzir feixes de núcleos que complementam os que podem ser feitos em Argonne.
No século passado, os físicos nucleares conseguiram reunir informações sobre núcleos a partir do estudo de colisões onde os feixes de íons de luz atingem alvos pesados. No entanto, quando raios pesados atingem alvos leves, a física da colisão se torna distorcida e mais difícil de analisar. O conceito HELIOS de Argonne foi a solução para remover essa distorção.
“Quando você tem uma bala de canhão atingindo um alvo frágil, a cinemática muda e os espectros resultantes são comprimidos”, disse Kay. “Mas John Schiffer percebeu que quando a colisão ocorre dentro de um ímã, os prótons emitidos viajam em um padrão espiral em direção ao detector e, por um” truque “matemático, isso desdobra a compressão cinemática, resultando em um espectro não comprimido que revela a energia nuclear subjacente. estrutura.”
As primeiras análises dos dados do experimento do CERN confirmam as previsões teóricas dos modelos nucleares atuais, e a equipe planeja estudar outros núcleos na região de 207Hg usando esses novos recursos, fornecendo insights mais profundos sobre as regiões desconhecidas da física nuclear e -processo.
Os resultados deste estudo foram publicados em um artigo intitulado “Primeira exploração da estrutura da casca de nêutrons abaixo do chumbo e além de N = 126” em 13 de fevereiro nas Physical Review Letters.
Publicado em 03/04/2020 04h40
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