Pesquisadores do MIT e de outrospaíses combinaram o poder de um super colisor com técnicas de espectroscopia a laser para medir com precisão pela primeira vez uma molanãcula radioativa de vida curta, monofluoreto de ra¡dio.

"Nossos resultados abrem caminho para estudos de alta precisão de moléculas radioativas de vida curta, que poderiam oferecer um laboratório novo e exclusivo para pesquisas em física fundamental e outros campos", diz o principal autor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz, professor assistente de física no MIT.

Os colegas de Garcia Ruiz incluem Alex Brinson, um estudante de graduação do MIT, junto com uma equipe internacional de pesquisadores que trabalham no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, em Genebra. Os resultados foram publicados hoje na revista Nature .

A molanãcula mais simples éformada por dois a¡tomos, cada um com um núcleo que compreende um certo número de pra³tons e naªutrons que tornam um a¡tomo mais pesado que o outro. Cada núcleo écercado por uma nuvem de elanãtrons. Na presença de um campo elanãtrico, esses elanãtrons podem ser redistribua­dos para criar um campo elanãtrico extremamente grande dentro da molanãcula.

Os fa­sicos usaram moléculas e seus campos elanãtricos como laboratórios em miniatura para estudar as propriedades fundamentais dos elanãtrons e outraspartículas subatômicas . Por exemplo, quando um elanãtron ligado interage com o campo elanãtrico da molanãcula, sua energia pode mudar como resultado, que os cientistas podem medir para inferir as propriedades do elanãtron, como seu momento dipolar eletrosta¡tico, que fornece uma medida de seu desvio de uma forma esfanãrica. .

De acordo com o Modelo Padra£o da física departículas, aspartículas elementares devem ser aproximadamente esfanãricas ou ter um momento dipolar eletrosta¡tico insignificante. Se, no entanto, existir um momento dipolar elanãtrico permanente de uma parta­cula ou sistema, isso implicaria que certos processos na natureza não são tão simanãtricos quanto os fa­sicos supunham.

Ao estudar as interações de um elanãtron com campos elanãtricos muito fortes, os cientistas podem ter a chance de medir com precisão seus momentos de dipolo elanãtrico. Em certas molanãculas, quanto mais pesados ​​são os a¡tomos, mais forte éo campo elanãtrico interno. Moléculas radioativas - aquelas que contem pelo menos um núcleo insta¡vel - podem ser adaptadas para maximizar seus campos elanãtricos internos. Além disso, núcleos radioativos pesados ​​podem ter formas semelhantes a paªras, que podem amplificar suas propriedades de violação de simetria.

Por causa de seus altos campos elanãtricos e formas nucleares únicas, as moléculas radioativas formariam laboratórios naturais para investigar não apenas a estrutura do elanãtron, mas também propriedades nucleares que violam a simetria. Mas essas moléculas tem vida curta e os cientistas não foram capazes de identifica¡-las.

"Essas moléculas radioativas são de natureza muito rara e algumas delas não podem ser encontradas em nosso planeta, mas podem ser abundantes em processos astrofisicos, como explosaµes estelares ou fusaµes de estrelas de naªutrons", afirma Garcia Ruiz. "Portanto, temos que fazaª-los artificialmente, e os principais desafios tem sido que eles são podem ser produzidos em pequenas quantidades a altas temperaturas e podem ter vida útil muito curta".

A equipe procurou uma maneira de fabricar monofluoreto de ra¡dio, ou RaF - uma molanãcula radioativa que contanãm um a¡tomo de ra¡dio insta¡vel e muito pesado, e um a¡tomo de flaºor. Essa molanãcula éde particular interesse porque certos isãotopos do núcleo do ra¡dio são eles mesmos assimanãtricos, lembrando uma paªra, com mais massa em uma extremidade do núcleo do que na outra.

Além disso, os teóricos previram que a estrutura energanãtica do monofluoreto de ra¡dio tornaria a molanãcula passa­vel de resfriamento a laser, uma técnica que usa lasers para diminuir a temperatura das moléculas e atrasa¡-las o suficiente para realizar estudos de precisão. Enquanto a maioria das moléculas tem muitos estados de energia que podem ocupar, com um grande número de estados vibracionais e rotacionais, verifica-se que o monofluoreto de ra¡dio favorece transições eletra´nicas entre alguns na­veis principais de energia - uma molanãcula incomumente simples de controlar, usando o resfriamento a laser.

A equipe conseguiu medir moléculas de RaF produzindo pequenas quantidades da molanãcula usando o separador de massa isota³pica do CERN on-line ou a instalação ISOLDE do CERN, que eles manipularam e estudaram com lasers usando o experimento de espectroscopia de ionização por ressonância colinear (CRIS) .

Em seu experimento, os pesquisadores utilizaram o Proton Synchrotron Booster do CERN, uma sanãrie de ananãis que recebem pra³tons de um acelerador departículas e aceleram os pra³tons. A equipe disparou esses pra³tons contra um alvo feito de carboneto de ura¢nio, com tanta energia que o ataque destruiu o ura¢nio, produzindo uma chuva de pra³tons e naªutrons que se misturaram para formar uma mistura de núcleos radioativos, incluindo o ra¡dio.

Os pesquisadores injetaram um gás de tetrafluoreto de carbono, que reagiu com o ra¡dio para produzir moléculas ia´nicas ou carregadas de monofluoreto de ra¡dio, que eles separaram do restante dos subprodutos do ura¢nio por meio de um sistema de a­ma£s de separação de massa. Eles então prenderam as moléculas em uma armadilha de a­ons e as cercaram com gás hanãlio, que esfriou as moléculas o suficiente para que os pesquisadores as medissem.

Em seguida, a equipe mediu as moléculas reativando-as e passando-as pelo sistema CRIS, onde as moléculas ia´nicas interagiam com a¡tomos de sãodio que davam um elanãtron a cada molanãcula para neutralizar o feixe de moléculas em va´o. As moléculas neutras continuaram atravanãs de uma regia£o de interação, onde os pesquisadores também brilharam dois raios laser - um vermelho e o outro azul.

A equipe ajustou a frequência do laser vermelho para cima e para baixo e descobriu que em certos comprimentos de onda o laser ressoava com as molanãculas, levando um elanãtron da molanãcula para outronívelde energia, de modo que o laser azul tivesse energia suficiente para remover o elanãtron do molanãcula. As moléculas ressonantemente excitadas, tornadas ia´nicas novamente, foram desviadas e coletadas em um detector departículas, permitindo que os pesquisadores medissem, pela primeira vez, seus na­veis de energia e as propriedades moleculares associadas que demonstram que a estrutura dessas moléculas érealmente favora¡vel para resfriamento a laser.

"Antes de nossas medições, todos os na­veis de energia dessas moléculas eram desconhecidos", diz Garcia Ruiz. "Foi como tentar encontrar uma agulha em uma sala escura, com centenas de metros de largura. Agora que encontramos a agulha, podemos medir as propriedades dessa agulha e comea§ar a brincar com ela".