Uma equipe científica, liderada pelo Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), identificou a origem de um excesso misterioso de raios gama de baixa energia emitidos pelo núcleo de zinco-70. O estudo, publicado recentemente na revista Nature, em 22 de maio de 2024, aponta que essa anomalia é causada por transições magnéticas dentro do núcleo. Essa revelação soluciona um enigma de longa data na física nuclear e tem implicações significativas para a astrofísica, especialmente na compreensão de como os elementos pesados são forjados no universo.
Desvendando o mistério das emissões de raios gama
Raios gama são uma forma de radiação eletromagnética, semelhante à luz visível e às ondas de rádio. Núcleos atômicos em estados excitados emitem esses raios à medida que transitam para estados de energia mais baixos e estáveis. Físicos investigam a frequência com que os núcleos liberam raios gama em diferentes níveis de energia, um fenômeno caracterizado pela função de força de raios gama. Por décadas, pesquisadores notaram um aumento inesperado no número de raios gama de baixa energia emitidos por alguns núcleos, conhecido como “low-energy enhancement” (LEE). A causa fundamental desse aumento permaneceu obscura até agora.
Eleanor Ronning, principal autora do estudo e ex-aluna de pós-graduação do FRIB, agora pesquisadora no Instituto Nacional de Física Nuclear em Pádua, Itália, disse que esse aumento de baixa energia não foi previsto pela teoria. “Foi uma espécie de choque para a comunidade quando foi observado pela primeira vez”, afirmou ela. A pesquisadora também explicou que é difícil prever onde o LEE ocorre, e os cientistas ainda não sabem quais núcleos o exibirão. No entanto, o novo estudo oferece provas concretas de que esse fenômeno é impulsionado por transições magnéticas dentro do núcleo, representando um avanço crucial na área.
Andrea Richard, co-líder do estudo e professora assistente na Ohio University, afirmou que este é um passo fundamental. “Agora temos uma explicação consistente que conecta observações experimentais com a teoria”, adicionou a professora, indicando a importância da descoberta para a física nuclear.
Por que o fenômeno da ‘melhora em baixa energia’ é crucial
A compreensão do LEE é vital não apenas para a estrutura nuclear, mas também para a astrofísica. Esse fenômeno faz com que as reações de captura de nêutrons ocorram com mais frequência do que os cientistas normalmente esperariam. Essas reações são os motores que impulsionam a formação de elementos pesados em ambientes extremos, como supernovas e fusões de estrelas de nêutrons.
Quando os efeitos do LEE são combinados em muitos núcleos, eles podem alterar drasticamente os cálculos das taxas de reação. Isso, por sua vez, influencia diretamente a forma como os cientistas modelam os processos nucleares em estrelas, sistemas de energia nuclear e aplicações de segurança nacional.
Técnicas inovadoras impulsionam a pesquisa nuclear
Medir e prever o LEE é uma tarefa complexa. O sinal é sutil e frequentemente mascarado por ruídos de fundo, exigindo instrumentos e métodos de alta precisão para ser isolado. Artemis Spyrou, professora de física no FRIB e na Michigan State University, comentou sobre a dificuldade da pesquisa. “Nossa colaboração tem procurado maneiras de identificar a natureza desse aprimoramento de baixa energia na emissão de raios gama por mais de uma década”, afirmou. Ela ressaltou que esse resultado só foi possível graças ao desenvolvimento de novas capacidades experimentais e técnicas de análise que não existiam antes.
O experimento baseou-se em capacidades exclusivas do FRIB. Sean Liddick, professor de química no FRIB e orientador de Ronning, disse que a equipe utilizou uma técnica experimental inovadora. “Combinamos instrumentos especializados de uma forma que utilizou eficazmente toda a instalação”, explicou Liddick. Ele expressou entusiasmo com o esforço que levou a um resultado tão claro.
Para investigar o zinco-70, a equipe estudou o decaimento beta de dois estados distintos do seu núcleo pai, o cobre-70. Isolando esses dois estados de cobre-70 – um em seu estado fundamental e outro em um estado excitado, ou isomérico – a equipe criou dois caminhos diferentes de entrada no mesmo núcleo.
- A criação desses dois caminhos distintos exigiu a produção de feixes excepcionalmente puros de cada estado de cobre-70, utilizando o Low Energy Beam and Ion Trap (LEBIT) do FRIB, um espectrômetro de massa de alta precisão.
- Os raios gama emitidos pelo zinco-70 foram subsequentemente capturados utilizando o detector Summing NaI (SuN).
- A equipe aplicou duas técnicas de análise—o método beta-Oslo e o método Shape—para extrair a função de força de raios gama para cada um dos estados iniciais.
Ryan Ringle, professor associado de física no FRIB e líder do grupo LEBIT, disse que a equipe usou o LEBIT dessa forma pela primeira vez. “Foi um desafio interessante de trabalhar, o que proporcionou oportunidades adicionais de treinamento para os estudantes de pós-graduação do nosso grupo”, informou Ringle. Ele destacou que essa nova técnica para separação de isômeros abre as portas para o estudo de muitos outros núcleos e motiva o desenvolvimento técnico para expandir as capacidades na área.
Colaboração científica global e os próximos passos da descoberta
A pesquisa envolveu uma vasta colaboração com cientistas de 25 instituições de países como Estados Unidos, Canadá, Itália, Alemanha, Noruega e Coreia do Sul. Entre as instituições parceiras, destacam-se:
- Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
- Los Alamos National Laboratory
- Lawrence Berkeley National Laboratory
- Pacific Northwest National Laboratory
- National Institute for Nuclear Physics (Pádua, Itália)
- Ohio University
- Michigan State University
Essa colaboração reforça o programa do FRIB com laboratórios nacionais, facilitando a troca de ideias entre a pesquisa básica e as aplicações de segurança nacional, enquanto oferece treinamento prático para formar a próxima geração de profissionais nucleares. Ao comparar as duas funções de força de raios gama, os pesquisadores determinaram de forma conclusiva que o aumento de baixa energia é produzido por transições magnéticas dentro do núcleo. As descobertas estabelecem um novo parâmetro para a teoria nuclear e fornecem um roteiro para futuras investigações.
Liddick reiterou o entusiasmo pelo futuro. “Esperamos aplicar esta técnica de isômeros separados a mais núcleos”, afirmou ele. O professor explicou que saber quais núcleos devem exibir esse aumento de baixa energia é crucial para projetar experimentos que os investiguem em instalações como o FRIB e para melhorar os modelos de como os elementos são criados em ambientes astrofísicos.
