Para investigar o funcionamento interno do núcleo de um átomo, os cientistas recorrem tradicionalmente a sofisticados colisores de partículas, que usam eletrões para desagregar os núcleos.
Estes equipamentos exigem frequentemente instalações de grandes dimensões, algumas com vários quilómetros de extensão, capazes de acelerar eletrões a velocidades vertiginosas para desvendar os segredos dos núcleos.
Uma molécula de monofluoreto de rádio como colisor
Num novo estudo, uma equipa de investigadores propõe uma alternativa mais simples e muito mais pequena. Sem recorrer a toda essa infraestrutura, obteve dados sobre o interior dos núcleos usando os próprios eletrões de um átomo como «mensageiros» numa molécula diatómica.
Para isso, juntou um átomo de rádio a um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Tirando partido das propriedades do ambiente intramolecular, criou uma espécie de colisor microscópico, no qual os eletrões do átomo de rádio penetraram brevemente no respetivo núcleo.
Os investigadores puderam assim acompanhar com precisão as energias dos eletrões na molécula e detetaram uma alteração subtil de energia. Ao que tudo indica, os eletrões entravam por instantes no núcleo do rádio e interagiam com o que aí se encontrava.
Esta abordagem poderá oferecer uma nova forma de medir a distribuição magnética de um núcleo, isto é, a influência que a disposição dos seus protões e neutrões tem nas suas propriedades magnéticas.
Os autores salientam que o estudo representa um primeiro passo, mas planeiam usar a técnica para lançar uma nova luz sobre o núcleo do rádio. Este conhecimento poderá contribuir para resolver questões fundamentais da física, como a razão pela qual o Universo parece conter muito mais matéria do que antimatéria.
«Os nossos resultados lançam as bases para estudos posteriores que procurem medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear», afirma Ronald Fernando Garcia Ruiz, físico do MIT e coautor do estudo. «Isto poderá fornecer respostas a algumas das questões mais prementes da física moderna.»
O núcleo do rádio e o mistério da antimatéria
Os modelos atuais indicam que o Universo, na sua fase inicial, deveria conter quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria. No entanto, a antimatéria é estranhamente rara. Hoje, encontramos sobretudo matéria no Universo, numa aparente violação da simetria esperada entre ambas.
Os cientistas suspeitam de que as respostas possam estar escondidas em certos núcleos atómicos, cujo interior poderá conter pistas sobre a escassez dos seus equivalentes de antimatéria.
Segundo os investigadores, o rádio é um candidato particularmente promissor devido à forma semelhante a uma pera do seu núcleo. A maioria dos núcleos atómicos é esférica; a estrutura assimétrica do rádio poderá tornar mais fácil observar violações de simetrias fundamentais.
«Prevê-se que o núcleo do rádio amplifique esta quebra de simetria, porque é assimétrico na carga e na massa, o que é bastante invulgar», explica Garcia Ruiz.
Apesar disso, a tarefa continua a ser difícil.
«O rádio é naturalmente radioativo, tem um tempo de vida curto e, atualmente, só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades ínfimas», diz o autor principal, Shane Wilkins, físico e antigo investigador de pós-doutoramento no MIT, agora na Universidade Estatal do Michigan. «Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para as conseguirmos medir.»
Eletrões permitem sondar o interior do núcleo
A chave consiste em integrar um átomo de rádio numa molécula, que confina e intensifica a atividade dos seus eletrões, explica Silviu-Marian Udrescu, coautor do estudo e físico da Universidade Johns Hopkins, que participou na investigação enquanto estudante de pós-graduação no MIT.
«Quando se coloca este átomo radioativo no interior de uma molécula, o campo elétrico interno a que os seus eletrões estão sujeitos é várias ordens de grandeza superior aos campos que conseguimos produzir e aplicar num laboratório», afirma Udrescu. «De certa forma, a molécula funciona como um gigantesco colisor de partículas e dá-nos uma melhor oportunidade de sondar o núcleo do rádio.»
No monofluoreto de rádio, os eletrões do átomo de rádio ficaram confinados de uma forma que aumentou a probabilidade de entrarem no núcleo. A equipa confinou e arrefeceu as moléculas e, em seguida, recorreu a lasers para medir as energias dos eletrões no seu interior.
Pequenas alterações nos dados, embora significativas, apontavam para incursões no núcleo.
«Há muitas experiências que medem as interações entre núcleos e eletrões fora do núcleo, e sabemos como são essas interações», diz Wilkins.
«Quando medimos estas energias dos eletrões com grande precisão, os resultados não correspondiam exatamente ao que esperávamos, partindo do princípio de que interagiam apenas fora do núcleo», acrescenta. «Isso indicou-nos que a diferença tinha de resultar de interações dos eletrões dentro do núcleo.»
De acordo com os investigadores, a descoberta poderá revolucionar a nossa capacidade de estudar núcleos atómicos. Mas sabe-se como as partículas subatómicas podem ser difíceis de detetar: não revelam os seus segredos facilmente.
«Temos agora provas de que conseguimos sondar o interior do núcleo. É como conseguir medir o campo elétrico de uma pilha. É possível medir o seu campo no exterior, mas medi-lo dentro da pilha é muito mais difícil. E é isso que agora conseguimos fazer», afirma Garcia Ruiz.
«Prevê-se que as moléculas que contêm rádio sejam sistemas excecionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza», acrescenta. «Temos agora uma forma de realizar essa procura.»
O estudo foi publicado na revista Science.
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