Um “colisor” microscópico dentro de uma molécula pode revelar o que acontece no núcleo atómico

Durante décadas, para investigar o funcionamento íntimo do núcleo do átomo, cientistas dependeram sobretudo de colisores de partículas capazes de atingir núcleos com feixes de elétrons e, assim, arrancar informações do seu interior.

Essas infraestruturas, em geral, exigem instalações enormes - em alguns casos com vários quilómetros de extensão - para acelerar elétrons a velocidades extremas e permitir medições detalhadas sobre o que está escondido dentro dos núcleos.

Uma alternativa compacta: usar os próprios elétrons do átomo como “mensageiros” numa molécula diatómica

Um novo estudo propõe uma rota bem mais simples e de escala muito menor: em vez de recorrer a toda a complexidade de um grande acelerador, os autores mostram como obter sinais do interior do núcleo usando os elétrons do próprio átomo como “mensageiros”, quando ele está inserido numa molécula diatómica.

A estratégia consistiu em combinar um átomo de rádio com um átomo de flúor, formando monofluoreto de rádio. Ao explorar características do ambiente intramolecular, a equipa criou algo parecido com um colisor microscópico: por instantes, os elétrons associados ao rádio conseguiram penetrar no seu núcleo, interagindo com o que existe lá dentro.

O que os pesquisadores mediram no monofluoreto de rádio

Com essa abordagem, foi possível acompanhar com grande precisão as energias dos elétrons na molécula. As medições revelaram um desvio energético pequeno, porém significativo - um indício de que certos elétrons estavam, de facto, a fazer incursões rápidas no núcleo do rádio e a sentir a sua estrutura interna.

Esse tipo de sinal abre caminho para uma nova forma de estimar a distribuição magnética de um núcleo - isto é, como a disposição de prótons e nêutrons afeta as propriedades magnéticas observáveis.

Por que isso importa para simetrias fundamentais e para a antimatéria

Segundo os autores, trata-se de um passo inicial, mas a ideia é usar a técnica para iluminar aspectos ainda pouco acessíveis do núcleo do rádio. Esse tipo de informação pode ajudar a atacar questões centrais da física, como o motivo de o Universo apresentar muito mais matéria do que antimatéria.

Modelos atuais sugerem que o Universo muito jovem deveria conter quantidades aproximadamente equivalentes de matéria e antimatéria. No entanto, hoje a antimatéria é extremamente rara, o que parece contrariar a simetria esperada entre ambas.

Há quem suspeite que as pistas para esse desequilíbrio estejam em certos núcleos atómicos, cujos detalhes internos podem indicar por que os “parceiros” de antimatéria não persistiram.

Por que o núcleo do rádio é um alvo especial

O rádio é apontado como um candidato especialmente promissor por causa da forma prevista do seu núcleo: em vez de ser quase esférico, como acontece com a maioria dos núcleos atómicos, o núcleo do rádio tende a ser assimétrico, descrito frequentemente como semelhante a uma pera. Essa arquitetura incomum pode aumentar a capacidade de observar possíveis violações de simetrias fundamentais.

Ronald Fernando Garcia Ruiz, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e coautor do estudo, afirma que o núcleo do rádio deve atuar como um “amplificador” desse tipo de quebra de simetria, justamente por ser assimétrico em carga e massa - algo raro em núcleos.

O obstáculo prático: radioatividade e pouca disponibilidade do composto

Apesar do potencial, o problema é que o rádio é naturalmente radioativo, tem vida curta, e atualmente só é possível produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades muito pequenas. Shane Wilkins, físico e autor principal (ex-pós-doutorando do MIT, hoje na Universidade Estadual de Michigan), destaca que isso obriga o uso de técnicas extremamente sensíveis para que as medições sejam viáveis.

Além disso, trabalhar com amostras radioativas impõe cuidados adicionais: minimizar perdas de material, controlar fontes de contaminação e reduzir ruídos experimentais que podem mascarar sinais minúsculos. Em estudos desse tipo, a sensibilidade do método é tão crucial quanto a própria capacidade de produzir a molécula desejada.

Como a molécula ajuda: um campo elétrico interno gigantesco

A chave, explica o coautor Silviu-Marian Udrescu (físico na Universidade Johns Hopkins, que contribuiu para o estudo quando era pós-graduando no MIT), é colocar o átomo radioativo dentro de uma molécula, onde o comportamento dos elétrons fica “contido” e intensificado.

Segundo Udrescu, ao inserir o átomo numa molécula, o campo elétrico interno sentido pelos elétrons pode ser muitas ordens de grandeza maior do que campos que se conseguem gerar e aplicar diretamente num laboratório. Nessa perspetiva, a própria molécula funciona como uma espécie de “colisor” extremamente eficaz para sondar o núcleo do rádio.

Resfriamento, confinamento e lasers: onde aparecem os desvios de energia

No monofluoreto de rádio, os elétrons associados ao rádio ficam condicionados de uma maneira que aumenta a probabilidade de atravessarem a barreira e entrarem no núcleo. A equipa confinou e resfriou as moléculas e, em seguida, utilizou lasers para medir com elevada precisão as energias eletrónicas.

Os dados exibiram alterações diminutas, mas consistentes, compatíveis com interações que não se explicam apenas por efeitos do lado de fora do núcleo.

Wilkins observa que já existe uma longa tradição de experimentos que medem interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e essas assinaturas são bem conhecidas. Porém, quando o grupo passou a medir com precisão fina as energias eletrónicas, os valores não coincidiam totalmente com o que se esperaria se os elétrons só interagissem externamente - sugerindo que a diferença vinha de interações dentro do núcleo.

O que muda para o estudo de núcleos atómicos

Os autores argumentam que a abordagem pode transformar a capacidade de investigar núcleos atómicos, ainda que partículas subatómicas sejam notoriamente difíceis de “convencer” a revelar informação.

Garcia Ruiz compara a situação a medir o campo elétrico de uma bateria: medir do lado de fora é relativamente acessível, mas obter medidas do interior é muito mais desafiante - e é exatamente esse tipo de acesso que o método agora demonstra ser possível.

Ele acrescenta que moléculas contendo rádio são previstas como sistemas extremamente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza, e que a técnica oferece um caminho prático para realizar essa busca.

Próximos passos e impacto potencial

Uma consequência natural dessa linha de pesquisa é combinar medições moleculares ultrassensíveis com diferentes isótopos e condições experimentais para separar efeitos eletrónicos, moleculares e nucleares com mais clareza. Se essa separação for bem-sucedida, a mesma estratégia poderá ser estendida a outras moléculas com núcleos “exóticos”, criando um novo conjunto de ferramentas complementares aos grandes aceleradores.

“Os nossos resultados estabelecem a base para estudos posteriores que visam medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear”, afirma Garcia Ruiz. “Isso pode oferecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna.”

O estudo foi publicado na revista Science.