Físicos usam uma única molécula como minúsculo acelerador de partículas.

Para investigar o funcionamento íntimo do núcleo de um átomo, os cientistas têm, durante décadas, recorrido a colisionadores de partículas capazes de lançar electrões contra os núcleos e fragmentá-los.

Essas infra-estruturas exigem, muitas vezes, instalações gigantescas - por vezes com vários quilómetros de extensão - para acelerar electrões a velocidades extremas, numa tentativa de arrancar ao núcleo alguns dos seus segredos.

Um colisionador microscópico dentro de uma molécula

Um estudo recente propõe uma alternativa muito mais simples e de pequena escala: em vez de depender de grandes aceleradores, os investigadores usaram os próprios electrões de um átomo como “mensageiros” dentro de uma molécula diatómica, obtendo informação do interior do núcleo sem o aparato habitual.

A estratégia passou por combinar um átomo de rádio com um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Ao explorarem as particularidades do ambiente intramolecular, criaram um género de colisionador microscópico no qual, por instantes, os electrões do rádio conseguem penetrar no seu núcleo.

Monofluoreto de rádio e electrões: como a molécula “empurra” para o núcleo

No monofluoreto de rádio, os electrões do átomo de rádio ficam condicionados de forma a aumentar a probabilidade de fazerem incursões breves no núcleo. Para observar esse efeito, a equipa aprisionou e arrefeceu as moléculas e, de seguida, utilizou lasers para medir com grande precisão as energias dos electrões no interior do sistema molecular.

Os dados revelaram um desvio energético pequeno, mas consistente - um sinal de que alguns electrões não estavam apenas a interagir fora do núcleo: estavam, ainda que por momentos, a interagir com o que existe dentro dele.

Esse tipo de medição pode abrir uma via nova para quantificar a distribuição magnética do núcleo - isto é, de que modo a disposição de protões e neutrões determina as suas propriedades magnéticas.

Porque o núcleo de rádio pode ser crucial para testar simetrias fundamentais

Os autores sublinham que este trabalho é um passo inicial, mas a ambição é usar a técnica para observar o núcleo de rádio sob uma luz completamente nova. Tal nível de detalhe poderá ajudar a enfrentar enigmas centrais da física, incluindo a razão pela qual o Universo parece conter muito mais matéria do que antimatéria.

“Os nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que procuram medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear”, afirma o co-autor Ronald Fernando Garcia Ruiz, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). “Isto poderá fornecer respostas a algumas das questões mais prementes da física moderna.”

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

Há quem suspeite que a explicação esteja escondida em certos núcleos atómicos - que, pelas suas propriedades internas, podem revelar pistas sobre mecanismos que favorecem a matéria.

Neste contexto, o rádio destaca-se como candidato privilegiado, devido à forma invulgar do seu núcleo, descrita como semelhante a uma pêra. Enquanto muitos núcleos são aproximadamente esféricos, a assimetria do rádio poderá amplificar a possibilidade de observar violações de simetrias fundamentais.

“O núcleo de rádio é previsto como um amplificador desta quebra de simetria, porque é assimétrico na carga e na massa, o que é bastante pouco comum”, explica Garcia Ruiz.

O desafio prático: radioactividade e quantidades minúsculas

Apesar do potencial, o problema continua a ser difícil.

“O rádio é naturalmente radioactivo, tem um tempo de vida curto e, neste momento, só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas”, diz o autor principal, Shane Wilkins, físico e antigo investigador de pós-doutoramento no MIT, actualmente na Universidade Estatal do Michigan. “Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para as conseguir medir.”

A vantagem do ambiente intramolecular: um campo eléctrico interno enorme

A chave, segundo Silviu-Marian Udrescu - co-autor e físico na Universidade Johns Hopkins, que contribuiu para o estudo enquanto estudante de doutoramento no MIT - é colocar o átomo radioactivo dentro de uma molécula, onde a dinâmica dos electrões é contida e intensificada.

“Quando se coloca este átomo radioactivo dentro de uma molécula, o campo eléctrico interno que os seus electrões sentem é muitas ordens de grandeza maior do que os campos que conseguimos gerar e aplicar num laboratório”, afirma Udrescu. “De certa forma, a molécula funciona como um colisionador de partículas gigantesco e dá-nos uma probabilidade maior de sondar o núcleo do rádio.”

O que os desvios energéticos dizem sobre interacções dentro do núcleo

Segundo Wilkins, existem inúmeros experimentos a medir interacções entre núcleos e electrões quando estes se mantêm fora do núcleo, e esse comportamento é bem conhecido.

“Quando passámos a medir estas energias electrónicas com grande precisão, o resultado não batia certo com o que esperaríamos se os electrões interagissem apenas fora do núcleo”, explica. “Isso indicou-nos que a diferença tinha de vir de interacções electrónicas dentro do núcleo.”

Os investigadores defendem que isto pode transformar a forma como estudamos núcleos atómicos - ainda que reconheçam que as partículas subatómicas são notoriamente difíceis de escrutinar e raramente revelam os seus segredos sem resistência.

“Temos agora prova de que conseguimos amostrar o interior do núcleo. É como medir o campo eléctrico de uma bateria: as pessoas conseguem medir o campo no exterior, mas medir o interior é muito mais desafiante. E é isso que conseguimos fazer agora”, afirma Garcia Ruiz.

“Prevê-se que moléculas contendo rádio sejam sistemas excepcionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza”, acrescenta. “Temos agora uma forma de realizar essa procura.”

Implicações e próximos passos

Se esta abordagem se consolidar, poderá complementar métodos clássicos baseados em grandes colisionadores, ao oferecer uma ferramenta “de mesa” - embora altamente sofisticada - para inferir propriedades nucleares através de espectroscopia de alta precisão. Além de permitir explorar a distribuição magnética do núcleo, abre caminho a medições cada vez mais finas relacionadas com a quebra de simetrias, que são peças essenciais para compreender a assimetria entre matéria e antimatéria.

Outra vertente promissora é a possibilidade de aplicar conceitos semelhantes a outras moléculas com núcleos pesados e deformados, comparando resultados entre diferentes elementos para isolar efeitos nucleares específicos. Essa estratégia pode ajudar a reduzir incertezas e a testar previsões teóricas com maior rigor, sobretudo onde pequenas diferenças nos níveis de energia carregam informação valiosa sobre a estrutura interna do núcleo.

O estudo foi publicado na revista científica Science.