No interior de núcleos exóticos, dança das partículas ajuda na compreensão do Universo

Nos núcleos atômicos gerados em laboratório do Instituto de Física, nêutrons “dançantes” podem ajudar cientistas a entender o início do Universo

Ilustração: Caio Vinícius Bonifácio

Reportagem recente do Jornal da USP falou de uma molécula batizada de “Samba”, que poderá ajudar a manter o coração batendo compassado. Mas a analogia com o famoso ritmo brasileiro não se resume à saúde. No interior dos átomos, as menores frações da matéria que formam elementos químicos distintos, também se dança.

Quem conta é o astrofísico Mahir Saleh Hussein, coordenador do grupo de pesquisa em Astrofísica Nuclear Não Convencional do Instituto de Estudos Avançados (IEA) da USP. “Todo átomo possui um núcleo composto por prótons e nêutrons. Quando esse núcleo é muito rico em prótons e nêutrons, se diz que é um núcleo exótico”. “Um exemplo na natureza é o átomo de oxigênio que tem oito prótons e oito nêutrons. Outros átomos com núcleos exóticos são produzidos em laboratório, como os de boro e hélio”, explica.

De acordo com Hussein, normalmente, os prótons e nêutrons do núcleo dos átomos ficam agregados numa espécie de caroço. “No entanto, há um tipo de núcleo exótico em que alguns nêutrons ficam afastados desse caroço e têm pouca interação com ele”, conta. “Esses nêutrons ficam rodando ao redor do caroço, como se estivessem dançando. Por isso, essa configuração de núcleo recebeu o nome de samba”, explica Hussein, que também é professor aposentado do IF.

Um outro exemplo de núcleo exótico é o hélio 6, isótopo do hélio 4 com dois nêutrons a mais. Desligados do caroço, os nêutrons extras formam um halo. Essa imagem de uma dança de roda, mais solta, só poderia ser associada ao ritmo brasileiro. Um pouco mais passionais, porém, nossos ‘hermanos’ não ficaram de fora das homenagens dos cientistas. Em outro tipo de núcleo exótico, prótons e nêutrons têm uma interação muito forte, o que fez a configuração ser chamada de “tango”, dança de grande contato corporal.

O nome samba foi dado pelos físicos Marcelo Yamashita, professor do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), e Tobias Frederico, professor do Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), que também pesquisam núcleos exóticos. A configuração tango recebeu a denominação de cientistas franceses. A parte experimental das pesquisas que envolve a produção de núcleos exóticos é feita pelo Grupo de Reações Diretas e Núcleos Exóticos do IF. É possível estudar sua estrutura provocando a colisão com diversos alvos.

Gerando núcleos exóticos

Equipamento capaz de produzir núcleos exóticos – Foto: Divulgação

No mesmo laboratório do acelerador de partículas Pelletron, no Instituto de Física, fica o equipamento capaz de produzir núcleos exóticos, o Ribras (do inglês Radiaoctive Ion Beams in Brasil).

No Pelletron, dentro de um tubo com vácuo, é gerado um feixe com átomos acelerados à grande velocidade, até um décimo da velocidade da luz. Os átomos usados são isótopos do lítio (lítio 6 ou lítio 7), isto é, átomos do mesmo elemento, mas com números diferentes de nêutrons. Ao ser lançado, esse feixe colide com uma folha do material que se deseja estudar, por exemplo, o berílio.

O Ribras fica acoplado ao acelerador, dispondo de duas bobinas magnéticas. Essas bobinas funcionam como filtros para selecionar as partículas de interesse que são geradas. “Na colisão do feixe com o alvo, há uma série de reações, como fusões e transferência de partículas, e é produzida uma grande variedade de núcleos, inclusive esses que chamamos de exóticos”, explica o professor Rubens Lichtenthäler Filho, um dos coordenadores do Ribras, juntamente com a professora Alinka Lépine Szily.

Os núcleos exóticos têm propriedades bem diferentes dos núcleos que estão na chamada linha de estabilidade – aqueles que conhecemos da tabela periódica mais seus isótopos estáveis, quer dizer, que não decaem (não são radioativos). Além das configurações que receberam os apelidos de samba e tango, eles têm dimensões bem maiores do que as dos núcleos originais, por exemplo.

E para que servem?

Cronologia do universo -Foto: NASA / WMAP Science Team via Wikimedia Commons

Primeiro, para estudar o universo. A física nuclear, englobando tanto núcleos instáveis quanto estáveis, é essencial na compreensão de vários processos astrofísicos, incluindo a história do universo desde o big-bang. “Podemos estudar reações nucleares que ocorreram alguns minutos após o big-bang”, exemplifica Mahir Hussein.

Além disso, para entender a formação dos elementos que compõem toda a matéria que conhecemos. “Os núcleos exóticos são muito instáveis, por isso seu estudo é relevante para entender a nucleossíntese, que é a formação de elementos químicos no interior das estrelas”, aponta Hussein.

Elementos mais leves, como hidrogênio, hélio e lítio foram criados no big-bang, há bilhões de anos atrás, e os mais pesados surgiram no nascimento, vida e morte das estrelas. Sabe-se que o ferro e todos os elementos com núcleos mais pesados que o ferro foram formados em explosões de supernovas, estrelas com massas pelo menos quatro vezes a massa do nosso Sol.

E se tudo isso pode ainda não ter sido suficiente para convencer alguém da importância de pesquisar o assunto, o professor Rubens Filho lembra que o conhecimento sobre núcleos exóticos já é aplicado inclusive na medicina. A tomografia conhecida como PET-SCAN é um exame de imagem que utiliza um elemento com núcleo exótico, o flúor 18, para rastrear células de câncer no organismo.

Produção científica

Apresentadas em artigos em revistas científicas internacionais, as produções mais recentes de Rubens Filho, Alinka Szily e seus colaboradores incluem o desenvolvimento de um modelo para medir o raio dos núcleos exóticos; medidas do núcleo de lítio-8 realizadas no Ribras; e medidas com o hélio-6, núcleo exótico que tem um halo de nêutrons.

Tanto o grupo de estudos do IEA quanto o Ribras contam com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

Júlio Bernardes e Luiza Caires

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