Uma descoberta duplamente mágica

O núcleo deformado do zircônio-80 é mais leve do que a soma das massas de seus 40 prótons e 40 nêutrons. A massa que falta é convertida em energia de ligação por meio de E = mc2. A energia de ligação é responsável por manter o núcleo unido. Crédito: Instalação para feixes de isótopos raros

Uma equipe de pesquisadores, incluindo cientistas do Laboratório Nacional de Ciclotron Supercondutor (NSCL) e da Instalação para Feixes de Isótopos Raros (FRIB) da Michigan State University (MSU), resolveram o caso da massa perdida do zircônio-80.

Para ser justo, eles também resolveram o caso. Experimentalistas mostraram que o zircônio-80 – um átomo de zircônio com 40 prótons e 40 nêutrons em seu núcleo ou núcleo – é mais leve do que o esperado, usando a capacidade incomparável do NSCL de criar isótopos raros e analisá-los. Então, os teóricos do FRIB foram capazes de explicar essa peça que faltava usando modelos nucleares avançados e novos métodos estatísticos.

“A interação entre teóricos nucleares e experimentalistas é como uma dança coordenada”, disse Alec Hamaker, assistente de pós-graduação da FRIB e primeiro autor do estudo que a equipe publicou em 25 de novembro no jornal Nature Physics. “Cada um se reveza liderando e seguindo o outro.”

“Às vezes, a teoria faz previsões com antecedência, e outras vezes os experimentos encontram coisas que não eram esperadas”, disse Ryan Ringle, cientista sênior do Laboratório FRIB, que estava no grupo que fez a medição de massa do zircônio-80. Ringle também é professor associado adjunto de física na FRIB e no Departamento de Física e Astronomia da MSU na Faculdade de Ciências Naturais.

“Eles se pressionam e isso resulta em uma melhor compreensão do núcleo, que basicamente constitui tudo com que interagimos”, disse ele.

Portanto, esta história é maior do que um núcleo. De certa forma, é uma prévia do poder do FRIB, uma instalação de usuário de ciência nuclear apoiada pelo Escritório de Física Nuclear do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Quando as operações do usuário começarem no próximo ano, cientistas nucleares de todo o mundo terão a chance de trabalhar com a tecnologia da FRIB para criar isótopos raros que seriam impossíveis de estudar em outro lugar. Eles também terão a oportunidade de trabalhar com os especialistas da FRIB para entender os resultados desses estudos e suas implicações. Esse conhecimento tem uma gama de aplicações, desde ajudar os cientistas a entender melhor o universo até melhorar os tratamentos do câncer.

“À medida que avançamos na era do FRIB, podemos fazer medições como fizemos aqui e muito mais”, disse Ringle. “Podemos ir além. Há capacidade suficiente aqui para nos manter aprendendo por décadas.”

Dito isso, o zircônio-80 é um núcleo realmente interessante por si só.

Para começar, é um núcleo difícil de fazer, mas fazer núcleos raros é a especialidade do NSCL. A instalação produziu zircônio-80 suficiente para permitir que Ringle, Hamaker e seus colegas determinassem sua massa com precisão sem precedentes. Para fazer isso, eles usaram o que é conhecido como espectrômetro de massa Penning trap na instalação de Low-Energy-Beam e Ion Trap (LEBIT) da NSCL.

“As pessoas mediram essa massa antes, mas nunca com essa precisão”, disse Hamaker. “E isso revelou uma física interessante.”

“Quando fazemos medições de massa neste nível preciso, estamos na verdade medindo a quantidade de massa que está faltando”, disse Ringle. “A massa de um núcleo não é apenas a soma da massa de seus prótons e nêutrons. Há massa ausente que se manifesta como energia que mantém o núcleo unido.”

É aqui que uma das equações mais famosas da ciência ajuda a explicar as coisas. No E = mc de Albert Einstein2, E significa energia em significa massa (c é o símbolo da velocidade da luz). Isso significa que massa e energia são equivalentes, embora isso só se torne perceptível em condições extremas, como aquelas encontradas no núcleo de um átomo.

Quando um núcleo tem mais energia de ligação – o que significa que ele tem um controle mais forte de seus prótons e nêutrons – ele terá mais massa ausente. Isso ajuda a explicar a situação do zircônio-80. Seu núcleo está fortemente ligado, e essa nova medição revelou que a ligação era ainda mais forte do que o esperado.

Isso significava que os teóricos do FRIB precisavam encontrar uma explicação e podiam recorrer a previsões de décadas atrás para ajudar a fornecer uma resposta. Por exemplo, os teóricos suspeitavam que o núcleo de zircônio-80 poderia ser mágico.

De vez em quando, um determinado núcleo supera suas expectativas de massa por ter um número especial de prótons ou nêutrons. Os físicos se referem a eles como números mágicos. A teoria postulava que o zircônio-80 tinha um número especial de prótons e nêutrons, tornando-o duplamente mágico.

Experimentos anteriores mostraram que o zircônio-80 tem a forma mais parecida com uma bola de rúgbi ou futebol americano do que com uma esfera. Os teóricos previram que a forma poderia dar origem a essa dupla magia. Com a medição mais precisa da massa do zircônio-80 até hoje, os cientistas poderiam apoiar essas idéias com dados sólidos.

“Os teóricos previram que o zircônio-80 era um núcleo duplamente mágico deformado há mais de 30 anos”, disse Hamaker. “Demorou algum tempo para os experimentalistas aprenderem a dança e fornecerem evidências para os teóricos. Agora que as evidências estão aí, os teóricos podem definir os próximos passos na dança.”

Portanto, a dança continua e, para estender a metáfora, NSCL, FRIB e MSU oferecem um dos melhores salões de baile para que ela se desenrole. Possui instalações únicas, equipe de especialistas e o programa de pós-graduação em física nuclear mais conceituado do país.

“Posso trabalhar no local em uma instalação nacional do usuário em tópicos na vanguarda da ciência nuclear”, disse Hamaker. “Esta experiência me permitiu desenvolver relacionamentos e aprender com muitos dos funcionários e pesquisadores do laboratório. O projeto foi bem-sucedido devido à sua dedicação à ciência e às instalações e equipamentos líderes mundiais no laboratório.”



Source: Phys.org – latest science and technology news stories by phys.org.

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