Físicos usam uma única molécula como minúsculo acelerador de partículas.

Para perscrutar o funcionamento íntimo do núcleo de um átomo, os cientistas recorreram durante décadas a colisionadores de partículas avançados, capazes de desagregar núcleos atómicos ao disparar electrões contra eles.

Essas infra-estruturas exigem, em regra, instalações de grande escala - por vezes com vários quilómetros - para acelerar electrões a velocidades extremas e, assim, tentar revelar o que se esconde no interior dos núcleos.

Porque os colisionadores tradicionais são tão grandes

A lógica dos métodos clássicos é directa: quanto mais energia se consegue imprimir ao feixe de electrões, maior a capacidade de “ver” detalhes finos do núcleo ao provocar colisões controladas. O preço desta abordagem é elevado: complexidade técnica, dimensão das instalações e um ecossistema experimental que, muitas vezes, não é compatível com medições de elevada precisão em sistemas raros ou instáveis.

Foi precisamente perante estas limitações que uma nova proposta ganhou força: obter informação do interior do núcleo sem depender do “espectáculo” de um colisionador convencional.

Um “colisionador” microscópico no monofluoreto de rádio: electrões como mensageiros

Num estudo recente, uma equipa de investigadores defende uma alternativa mais simples e de muito menor escala: usar os próprios electrões de um átomo como “mensageiros” dentro de uma molécula diatómica, em vez de recorrer a feixes externos.

O procedimento passou por juntar um átomo de rádio a um átomo de fluoreto, formando a molécula monofluoreto de rádio. Ao explorarem características do ambiente intramolecular, os autores criaram um tipo de colisionador microscópico: por instantes, os electrões do rádio conseguiram penetrar no seu próprio núcleo.

Graças a isso, tornou-se possível acompanhar com grande exactidão as energias dos electrões na molécula, revelando uma deslocação energética subtil. A interpretação é clara: os electrões fizeram incursões breves no núcleo do rádio e interagiram com o que lá existe.

O que a deslocação energética indica sobre a distribuição magnética do núcleo

Essas pequenas variações energéticas podem abrir um caminho novo para quantificar a distribuição magnética de um núcleo - ou seja, de que forma a disposição de protões e neutrões molda as suas propriedades magnéticas.

Os autores sublinham que este resultado ainda representa um passo inicial. Mesmo assim, planeiam aplicar esta técnica para observar o núcleo do rádio sob uma luz diferente, com potencial para esclarecer enigmas fundamentais da física, incluindo a razão pela qual o Universo parece conter muito mais matéria do que antimatéria.

Ronald Fernando Garcia Ruiz, físico do MIT e co-autor do estudo, resume a ambição do trabalho: os resultados “preparam o terreno” para investigações futuras destinadas a medir, ao nível nuclear, violações de simetrias fundamentais - um tipo de efeito que pode estar ligado a algumas das questões mais urgentes da física moderna.

Os modelos actuais sugerem que o Universo primordial deveria ter produzido quantidades semelhantes de matéria e antimatéria. No entanto, a antimatéria é extraordinariamente rara hoje, o que aparenta contrariar a simetria esperada entre ambas.

Porque o rádio é um candidato de eleição para violação de simetrias fundamentais

Há muito que os cientistas suspeitam que certas respostas estejam escondidas em núcleos específicos, cujas estruturas internas podem conter pistas para explicar a escassez de antimatéria.

Segundo os investigadores, o rádio destaca-se por um motivo invulgar: prevê-se que o seu núcleo tenha uma forma semelhante a uma pera. Enquanto a maioria dos núcleos atómicos é aproximadamente esférica, a arquitectura assimétrica do rádio poderá tornar mais observáveis efeitos associados a violações de simetrias fundamentais.

Como explica Garcia Ruiz, o núcleo do rádio é apontado como um “amplificador” desse tipo de quebra de simetria, precisamente por apresentar assimetria na distribuição de carga e de massa - uma característica pouco comum.

Ainda assim, tratar este sistema como um alvo experimental é tudo menos simples.

Shane Wilkins, físico e autor principal (ex-bolseiro de pós-doutoramento no MIT, actualmente na Universidade Estadual de Michigan), lembra que o rádio é naturalmente radioactivo, tem vida curta e, por enquanto, só é possível produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades diminutas. Isso obriga a técnicas extremamente sensíveis para se conseguir medir o que interessa.

Uma implicação prática desta abordagem é que, ao trabalhar com amostras tão pequenas e instáveis, a qualidade do sinal e o controlo sistemático do ruído experimental tornam-se tão decisivos quanto o próprio modelo físico. A promessa do método está em obter informação nuclear valiosa sem exigir grandes fluxos de partículas nem infra-estruturas gigantescas.

Além disso, esta estratégia pode ser alargada, no futuro, a outros núcleos raros e a diferentes moléculas diatómicas, ajudando a comparar como a estrutura nuclear se manifesta em observáveis moleculares. Isso permitiria cruzar resultados com outras técnicas de espectroscopia e reforçar a robustez das conclusões sobre efeitos de simetria.

Como a molécula intensifica o campo interno e ajuda a “entrar” no núcleo

A chave, explica o co-autor Silviu-Marian Udrescu (físico na Universidade Johns Hopkins, que participou no trabalho enquanto estudante de doutoramento no MIT), está em colocar o átomo radioactivo dentro de uma molécula, o que confina e intensifica a dinâmica electrónica.

Ao fazê-lo, o campo eléctrico interno sentido pelos electrões torna-se muitíssimo mais intenso do que os campos que se conseguem gerar e aplicar externamente num laboratório. Nessa perspectiva, a molécula comporta-se como um “grande colisionador de partículas” em miniatura, aumentando a probabilidade de sondar o núcleo do rádio.

No monofluoreto de rádio, os electrões do rádio ficam condicionados de forma a elevar as hipóteses de penetrarem no núcleo. A equipa confinou e arrefeceu as moléculas e, em seguida, usou lasers para medir com precisão as energias dos electrões nelas contidos.

Os desvios observados eram minúsculos, mas relevantes - e apontavam para interacções dentro do núcleo.

Wilkins nota que existem muitos ensaios que medem interacções entre núcleos e electrões fora do núcleo, e o padrão dessas interacções é bem conhecido. No entanto, quando a equipa tentou medir estas energias electrónicas com altíssima precisão, os valores não coincidiram com o que seria esperado se as interacções ocorressem apenas no exterior do núcleo. Essa discrepância, concluiu, só faria sentido se parte do efeito viesse de interacções no interior do núcleo.

O que muda a partir daqui e o enigma matéria–antimatéria

Para os autores, isto pode transformar a nossa capacidade de estudar núcleos atómicos, mesmo sabendo quão difíceis são as partículas subatómicas - raramente “cedem” os seus segredos.

Garcia Ruiz usa uma analogia: medir o campo eléctrico de uma pilha por fora é relativamente acessível; medir “por dentro” é muito mais exigente. A equipa considera ter demonstrado que, agora, consegue efectivamente “amostrar” o interior do núcleo.

O investigador acrescenta que moléculas com rádio são previstas como sistemas excepcionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza - e que, com este método, passa a existir uma forma concreta de realizar essa procura.

O estudo foi publicado na revista Science.