Quando prótons e nêutrons (nucleons) estão ligados a núcleos atômicos, eles estão próximos o suficiente para sentir atração ou repulsão significativa. Fortes interações dentro deles levam a fortes colisões entre nucleons.
Enquanto estudavam essas colisões energéticas em núcleos leves por meio de uma nova técnica, os físicos descobriram algo surpreendente: prótons colidem com prótons e nêutrons com seus companheiros. nêutrons mais vezes do que o esperado.
Em pesquisas anteriores, os cientistas examinaram colisões energéticas de dois nucleons em um pequeno número de núcleos, variando de chumbo (12 nucleons) a carbono (12 nucleons) (com 208). Descobertas consistentes mostraram que as colisões próton-nêutron representaram mais de 95% de todas as colisões, com as colisões próton-próton e nêutron-nêutron representando os 5% restantes.
Em um novo experimento, os físicos estudaram colisões em dois “núcleos espelhos” com três nucleons cada. Eles descobriram que as colisões próton-próton e nêutron-nêutron foram responsáveis por uma parcela muito maior do total – cerca de 20%.
Uma equipe internacional descobriu cientistas, incluindo pesquisadores da Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Laboratório Berkeley). Para o estudo, eles usaram o Continuous Electron Beam Accelerator Facility no DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) na Virgínia.
Na maioria dos núcleos atômicos, os nucleons passam cerca de 20% de suas vidas em estados excitados de alto momento resultantes de colisões de dois nucleons. Estudar essas colisões requer zapping núcleos com feixes de elétrons de alta energia. Então, medindo a energia de um elétron espalhado e o ângulo de recuo, os cientistas inferiram a velocidade na qual o núcleon atingido deve estar se movendo.
John Arrington, um cientista do Berkeley Lab, é um dos quatro porta-vozes da colaboração, disse: “Isso permite que eles escolham eventos em que um elétron se espalhou por um próton de alto momento que colidiu recentemente com outro nucleon”.
Essas colisões elétron-próton têm um elétron de entrada com energia suficiente para remover completamente o próton do núcleo. O segundo nucleon também escapa do núcleo porque isso interrompe a interação semelhante a um elástico que geralmente mantém o par de nucleon excitante no lugar.
Pesquisas anteriores sobre colisões de dois corpos concentraram-se em eventos de espalhamento onde o elétron rebote e ambos os nucleons expelidos foram observados. Marcando todas as partículas, eles poderiam determinar o número relativo de pares próton-próton e próton-nêutron pares. No entanto, como esses eventos de “tripla coincidência” são extremamente incomuns, foi necessária uma consideração cuidadosa de quaisquer interações adicionais entre nucleons que possam afetar a contagem para a análise.
Núcleos espelhados aumentam a precisão
No novo estudo, os físicos demonstraram uma maneira de estabelecer o número relativo de pares próton-próton e próton-nêutron sem detectar os núcleos ejetados. Medição de espalhamento de dois “núcleos espelho” com o mesmo número de nucleons – trítio, um isótopo de hidrogênio raro com um próton e dois nêutrons, e hélio-3, que tem dois prótons e um nêutron - foi o truque. O hélio-3 se parece com o trítio com prótons e nêutrons trocados, e essa simetria permitiu que os físicos distinguissem colisões envolvendo prótons de nêutrons comparando seus dois conjuntos de dados.
Os físicos começaram a trabalhar em núcleos espelho depois de planejar o desenvolvimento de uma célula de gás de trítio para experimentos de dispersão de elétrons. Este é o primeiro uso deste isótopo raro e temperamental em décadas.
Por meio desse experimento, os cientistas coletaram mais dados do que em experimentos anteriores. Assim, eles poderiam melhorar a precisão das medições anteriores por um fator de dez.
Eles não tinham motivos para esperar que colisões de dois núcleos funcionassem de maneira diferente em trítio e hélio-3 do que em núcleos mais pesados, então os resultados foram bastante surpreendentes.
Arrington dito, “Seu hélio-3 claro é diferente do punhado de núcleos pesados medidos. Queremos pressionar por medições mais precisas em outros núcleos leves para produzir uma resposta definitiva.”
Jornal de referência:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Revelando a estrutura de curto alcance dos núcleos espelho 3H e 3He. Natureza 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
