Pesquisadores do Instituut voor Kernen Stralingsfysica, na Banãlgica e da Universidade de Manchester, em colaboração com outros institutos em todo o mundo, realizaram recentemente um estudo destinado a medir o tamanho do núcleo (raio de carga nuclear) em isãotopos de cobre ricos em naªutrons . Seu artigo, publicado na Nature Physics , apresenta observações de um padrãoa­mpar e atésurpreendente, impressionante e interessante nos tamanhos dos núcleos desses isãotopos.

Obter um entendimento completo do padrãoa­mpar e atordoante observado por De Groote e seus colegas estãolonge de ser uma tarefa fa¡cil, complicada ainda mais pelo fato de esse padrãoser considerado dependente de naªutrons, o que foi algo inesperado. Para explorar as possa­veis razões por trás do efeito observado, os pesquisadores realizaram uma sanãrie de ca¡lculos de ponta com base na teoria nuclear e compararam os resultados desses ca¡lculos com os dados experimentais que coletaram.

"O isãotopo mais difa­cil de realizar medições, 78 Cu, possui 29 pra³tons e 49 naªutrons, o que torna um núcleo muito complicado para estudar, tanto experimental quanto computacionalmente", disse Groote. "No entanto, sentimos que nosso resultado experimental era importante o suficiente para convencer dois colaboradores teóricos a buscar dois manãtodos teóricos bastante diferentes, um baseado em funcionais de densidade e outro baseado no manãtodo de grupo de renormalização de similaridade de valaªncia-Espaço no meio, que apresenta uma Descrição 'ab-initio' para núcleos manãdios pesados. "

As duas abordagens tea³ricas que os pesquisadores usaram em seu estudo se mostraram aºteis para explicar os diferentes aspectos das medições que eles coletaram. Embora os ca¡lculos baseados na teoria funcional da densidade previssem propriedades a granel (por exemplo, os tamanhos nucleares totais) com uma precisão notavelmente alta, o manãtodo enraizado na teoria do grupo de renormalização de similaridade no espaço de valaªncia no meio forneceu uma descrição detalhada da tendaªncia geral para o a­mpar-par efeito impressionante, pois levou em consideração correlações adicionais.

"Nossos ca¡lculos mostraram que ambas as teorias contem ingredientes essenciais para descrever a estrutura nuclear, mas que ainda hátrabalho a ser feito - ainda não temos uma única abordagem que possa fazer tudo", explicou Groote.

"O que émuito importante quando se estuda isãotopos radioativos éque os manãtodos são rápidos e eficientes - não hátempo para coletar uma grande amostra de isãotopos e depois estuda¡-los silenciosamente mais tarde", disse Groote. "As medições precisam ser realizadas 'on-line'; nossas ferramentas e detectores de medição precisam ser acoplados ao local de produção e funcionar em perfeita sincronicidade".

De Groote e seus colegas usaram um acelerador departículas conhecido como CERN PS-Booster, que pode produzir pra³tons com uma energia muito alta. Esses pra³tons foram direcionados para a instalação ISOLDE no CERN, onde impactaram um pedaço de ura¢nio, induzindo uma variedade de reações nucleares diferentes.

As reações nucleares resultantes desse processo levaram a  produção de isãotopos em todo o espectro, variando de a¡tomos de hanãlio leves a elementos muito pesados, como o ra¡dio. Os isãotopos de cobre que os pesquisadores começam a estudar estavam entre eles, mas tiveram que ser extraa­dos da grande variedade de isãotopos e purificados.

"O ura¢nio foi aquecido atécerca de 2000 graus Celsius pela equipe do ISOLDE, para que esses isãotopos recanãm-produzidos não permanecessem, mas escapassem para uma fonte de a­ons: aqui, eles foram transformados em a­ons carregados", explicou Groote. "Este éum passo crucial, pois nos permite usar técnicas eletrosta¡ticas e magnanãticas para acelerar todos os isãotopos, selecionar os de interesse e guia¡-los para diferentes configurações de medição nas instalações da ISOLDE".

Para medir o tamanho dos isãotopos de cobre, os pesquisadores os iluminaram com dois raios laser separados. Ao sintonizar a frequência do primeiro laser exatamente da maneira correta, eles foram capazes de excitar um elanãtron que estãoligado ao núcleo. O segundo feixe de laser foi então usado para "descolar" esse elanãtron excitado.

"Medindo o número departículas carregadas criadas a  medida que alteramos a frequência do laser, conseguimos determinar a energia exata de absorção dos a¡tomos de cobre", disse Groote. "Essa energia de absorção estãodiretamente relacionada aos tamanhos nucleares; a mudança de energia échamada de mudança isota³pica - uma pequena mudança de cor de apenas 1 parte em um milha£o; nada que os olhos pudessem ver, mas algo que nosso sistema anã.sensívela."

A técnica de medição usada por De Groote e seus colegas, conhecida como espectroscopia de ionização por ressonância colinear, éuma ferramenta altamente eficiente e precisa para medirmudanças de energia em a¡tomos. Sua configuração experimental éaltamente sofisticada e conta com todos os seus diferentes componentes (por exemplo, um grande acelerador departículas, sistemas a laser ultra-esta¡veis, ferramentas de medição de frequência a laser de alta precisão, armadilhas de a­ons, bombas de va¡cuo ultra-altas e energia de alta tensão etc.) para operar em sinfonia.

Em seu estudo, os pesquisadores o usaram para identificar 'trocas de isãotopos' em 14 isãotopos de cobre diferentes. Medir essasmudanças, em última análise, lhes permitiu determinarmudanças em seu tamanho, em função do número de naªutrons em seu núcleo.

"O isãotopo mais desafiador foi produzido apenas a uma taxa de 20 a­ons por segundo, e no total apenas cerca de 200.000 a­ons foram usados ​​para realizar a medição", disse Groote. "A massa total desta amostra, se vocêpudesse coletar tudo antes que se deteriorasse radioativamente, seria 0,00000000003 micrograma - em comparação com objetos ta­picos com os quais estamos acostumados a interagir, éuma quantidade inacreditavelmente pequena de coisas".

A técnica empregada por De Groote e seus colegas permite que os pesquisadores estudem isãotopos que atualmente são podem ser produzidos em pequenas quantidades e também são muito mais eficientes do que outras ferramentas de medição de alta precisão desenvolvidas no passado. No futuro, seu manãtodo podera¡ ter uma sanãrie de implicações importantes para a pesquisa de estruturas nucleares, pois muitos isãotopos interessantes são insta¡veis ​​e, portanto, são podem ser produzidos em pequenas quantidades.

"Nossos resultados mostram que muitos desses núcleos agora podem ser estudados", diz Groote. "Melhorias adicionais em nosso manãtodo empurrara£o esse limite ainda mais. Em particular, nossa técnica nos permite agora abordar núcleos que se prevaª serem produzidos em super e kilonova e que ainda precisam ser estudados na Terra em laboratório. as ferramentas tea³ricas desenvolvidas também representam importantes marcos na teoria nuclear ".

Além de introduzir uma nova técnica para medir o tamanho de núcleos em isãotopos com vida útil curta, de Groote e seus colegas provaram a eficácia de construções tea³ricas baseadas em funcionais de densidade e no manãtodo de grupo de renormalização de similaridade valaªncia-Espaço em manãdio para estudos que exploram a estrutura de isãotopos com núcleos insta¡veis. Seu estudo lana§a alguma luz sobre as vantagens e desvantagens desses marcos teóricos, que poderiam ser mais explorados em estudos futuros.

"Para o presente estudo, escolhemos cobre, pois possui 29 pra³tons", de Groote. "Isso torna esses isãotopos sondas perfeitas para investigar o núcleo subjacente de na­quel (28 pra³tons). Pensa-se que 78 Ni (28 pra³tons, 50 naªutrons) sejam um núcleo duplamente ma¡gico. Existem apenas muito poucos desses inva³lucros duplamente ma¡gicos e fechados sistemas, e eles formam os pilares da pesquisa em estruturas nucleares, como os gases nobres da física atômica ".

De Groote e seus colegas estãoatualmente trabalhando em um novo estudo focado em isãotopos de pota¡ssio ricos em naªutrons, que possuem 19 pra³tons e, portanto, são excelentes sondas de isãotopos ma¡gicos de ca¡lcio (ou seja, com 20 pra³tons). Eles já realizaram ca¡lculos iniciais dos raios de carga desses isãotopos e agora planejam investigar esses resultados com mais profundidade.

"A longo prazo, uma campanha de medição dos isãotopos de a­ndio e estanho, próxima aos isãotopos 100 Sn e 132 Sn duplamente ma¡gicos , já foi iniciada e serárealizada nos pra³ximos anos", diz Groote. "Esses isãotopos estãona fronteira atual das teorias nucleares; portanto, esforços experimentais e teóricos estãoprogredindo muito bem em conjunto".

De Groote e seus colegas também começam a usar o mesmo manãtodo experimental introduzido em seu trabalho recente para estudar moléculas radioativas. Por exemplo, eles conclua­ram recentemente o primeiro estudo espectrosca³pico de fluoreto de ra¡dio, uma molanãcula que contanãm um a¡tomo de ra¡dio radioativo.

"Como não existem isãotopos esta¡veis ​​de ra¡dio , essa molanãcula nunca poderia ser estudada antes", explicou Groote. "Isso éparticularmente empolgante, pois pode ser a chave para a próxima geração de pesquisas em física além do modelo padra£o".