Os físicos nucleares fizeram uma medição nova e altamente precisa da espessura da “pele” do nêutron que abrange o núcleo principal em experimentos conduzidos no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA e publicados recentemente na Physical Review Letters. O resultado, que revelou uma espessura de pele de nêutrons de 0,28 milionésimos de nanômetro, tem implicações importantes para a estrutura e o tamanho das estrelas de nêutrons.
Os prótons e nêutrons que formam o núcleo no coração de cada átomo do universo ajudam a determinar a identidade e as propriedades de cada átomo. Os físicos nucleares estão estudando diferentes núcleos para aprender mais sobre como esses prótons e nêutrons agem dentro do núcleo. A colaboração Lead Radius Experiment, chamada PREx (após o símbolo químico para chumbo, Pb), está estudando os detalhes de como prótons e nêutrons são distribuídos em núcleos de chumbo.
“A questão é sobre onde os nêutrons estão no chumbo. O chumbo é um núcleo pesado – há nêutrons extras, mas no que diz respeito à força nuclear, uma mistura igual de prótons e nêutrons funciona melhor”, disse Kent Paschke, professor da a Universidade da Virgínia e co-porta-voz do experimento.
Paschke explicou que os núcleos leves, aqueles com apenas alguns prótons, normalmente têm o mesmo número de prótons e nêutrons em seu interior. À medida que os núcleos ficam mais pesados, eles precisam de mais nêutrons do que prótons para permanecer estáveis. Todos os núcleos estáveis com mais de 20 prótons têm mais nêutrons do que prótons. Por exemplo, o chumbo tem 82 prótons e 126 nêutrons. Medir como esses nêutrons extras são distribuídos dentro do núcleo é uma informação fundamental para entender como os núcleos pesados são reunidos.
“Os prótons em um núcleo de chumbo estão em uma esfera, e descobrimos que os nêutrons estão em uma esfera maior ao seu redor, e chamamos isso de pele de nêutron”, disse Paschke.
O resultado do experimento PREx, publicado na Physical Review Letters em 2012, forneceu a primeira observação experimental dessa pele de nêutrons usando técnicas de espalhamento de elétrons. A partir desse resultado, a colaboração se propôs a fazer uma medição mais precisa de sua espessura no PREx-II. A medição foi realizada no verão de 2019 usando o Continuous Electron Beam Accelerator Facility, uma instalação do DOE Office of Science. Este experimento, como o primeiro, mediu o tamanho médio do núcleo principal em termos de seus nêutrons.
Os nêutrons são difíceis de medir, porque muitas das sondas sensíveis que os físicos usam para medir partículas subatômicas dependem da medição da carga elétrica das partículas por meio da interação eletromagnética, uma das quatro interações na natureza. PREx faz uso de uma força fundamental diferente, a força nuclear fraca, para estudar a distribuição dos nêutrons.
“Os prótons têm uma carga elétrica e podem ser mapeados usando a força eletromagnética. Os nêutrons não têm carga elétrica, mas em comparação com os prótons, eles têm uma grande carga fraca e, portanto, se você usar a interação fraca, poderá descobrir onde estão os nêutrons.” explicou Paschke.
No experimento, um feixe de elétrons precisamente controlado foi enviado colidindo com uma fina folha de chumbo resfriado criogenicamente. Esses elétrons giravam em sua direção de movimento, como uma espiral em um passe de futebol.
Os elétrons no feixe interagiam com os prótons ou nêutrons do alvo principal, seja por meio da interação eletromagnética ou fraca. Enquanto a interação eletromagnética é simétrica em espelho, a interação fraca não é. Isso significa que os elétrons que interagiram via eletromagnetismo o fizeram independentemente da direção do spin dos elétrons, enquanto os elétrons que interagiram por meio da interação fraca preferencialmente o fizeram com mais frequência quando o spin estava em uma direção em relação à outra.
“Usando essa assimetria no espalhamento, podemos identificar a força da interação, e isso nos diz o tamanho do volume ocupado pelos nêutrons. Nos diz onde os nêutrons são comparados aos prótons.” disse Krishna Kumar, co-porta-voz do experimento e professor da Universidade de Massachusetts Amherst.
A medição exigiu um alto grau de precisão para ser executada com sucesso. Ao longo da corrida experimental, o spin do feixe de elétrons foi invertido de uma direção para a sua oposta 240 vezes por segundo, e então os elétrons viajaram quase uma milha através do acelerador CEBAF antes de serem precisamente colocados no alvo.
“Em média, ao longo de toda a execução, sabíamos onde os feixes direito e esquerdo estavam, em relação um ao outro, dentro de uma largura de 10 átomos”, disse Kumar.
Os elétrons que se espalharam pelos núcleos principais enquanto os deixavam intactos foram coletados e analisados. Em seguida, a colaboração PREx-II combinou-o com o resultado anterior de 2012 e medições de precisão do raio do próton do núcleo principal, que muitas vezes é referido como seu raio de carga.
“O raio de carga é de cerca de 5,5 femtômetros. E a distribuição de nêutrons é um pouco maior do que isso – cerca de 5,8 femtômetros, então a pele de nêutrons tem 0,28 femtômetros, ou cerca de 0,28 milionésimos de nanômetro”, disse Paschke.
Os pesquisadores disseram que esse número é mais espesso do que algumas teorias sugeriram, o que tem implicações para os processos físicos em estrelas de nêutrons e seu tamanho.
“Esta é a observação mais direta da pele de nêutrons. Estamos descobrindo o que chamamos de equação de estado rígida – pressão mais alta do que o esperado, de modo que é difícil espremer esses nêutrons no núcleo. E assim, estamos descobrindo que a densidade dentro do núcleo é um pouco menor do que o esperado “, disse Paschke.
“Precisamos saber o conteúdo da estrela de nêutrons e a equação de estado, e então podemos prever as propriedades dessas estrelas de nêutrons”, disse Kumar. “Então, o que estamos contribuindo para o campo com essa medição do núcleo de chumbo permite que você extrapole melhor para as propriedades das estrelas de nêutrons.”
A equação de estado inesperadamente rígida implícita no resultado do PREx tem conexões profundas com as observações recentes de estrelas de nêutrons em colisão feitas pelo experimento do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser, ou LIGO, vencedor do Prêmio Nobel. LIGO é um observatório de física em grande escala que foi projetado para detectar ondas gravitacionais.
“À medida que as estrelas de nêutrons começam a girar em torno umas das outras, elas emitem ondas gravitacionais que são detectadas pelo LIGO. E quando se aproximam na última fração de segundo, a atração gravitacional de uma estrela de nêutrons transforma a outra estrela de nêutrons em uma lágrima – na verdade, torna-se oblongo como uma bola de futebol americano. Se a pele de nêutrons for maior, isso significa uma certa forma para a bola de futebol, e se a pele de nêutrons for menor, significa uma forma diferente para a bola de futebol. E a forma da bola de futebol é medido pelo LIGO “, disse Kumar. “O experimento LIGO e o experimento PREx fizeram coisas muito diferentes, mas estão conectados por esta equação fundamental – a equação de estado da matéria nuclear.”
Publicado em 29/04/2021 11h28
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