Físicos usam uma única molécula como um minúsculo acelerador de partículas.

Para espreitar o que se passa no interior do núcleo de um átomo, os cientistas têm recorrido, durante muito tempo, a colisionadores de partículas sofisticados, onde feixes de eletrões são acelerados para bombardear núcleos e arrancar-lhes informação.

Essas instalações costumam ser enormes - por vezes estendem-se por quilómetros - e são necessárias para pôr os eletrões a velocidades extremas na busca de pistas sobre os segredos escondidos no núcleo.

Num novo estudo, investigadores defendem uma alternativa mais simples e muito mais pequena. Em vez de toda essa infraestrutura, recolheram dados do interior dos núcleos com ajuda dos próprios eletrões de um átomo, usados como “mensageiros” dentro de uma molécula diatómica.

Fizeram-no ao juntar um átomo de rádio a um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Tirando partido das propriedades do ambiente intramolecular, criaram uma espécie de colisor microscópico, no qual os eletrões do átomo de rádio infiltravam-se brevemente no seu núcleo.

Isso permitiu aos investigadores monitorizar com precisão as energias dos eletrões dentro da molécula, revelando uma subtil alteração de energia. Tudo indica que os eletrões faziam incursões breves no núcleo do rádio e interagiam com o seu conteúdo.

Isto poderá representar uma nova forma de medir a distribuição magnética de um núcleo, ou seja, de perceber como a disposição dos protões e neutrões influencia as suas propriedades magnéticas.

O novo trabalho é apenas um primeiro passo, sublinham os investigadores, mas o objetivo é usar esta técnica para lançar nova luz sobre o núcleo do rádio. Este tipo de conhecimento poderá ajudar a resolver mistérios importantes da física, como a razão pela qual o Universo parece conter muito mais matéria do que antimatéria.

“Os nossos resultados lançam as bases para estudos subsequentes destinados a medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear”, afirma Ronald Fernando Garcia Ruiz, físico do MIT e coautor do estudo. “Isto pode dar respostas a algumas das questões mais prementes da física moderna.”

Os modelos atuais sugerem que o Universo primitivo terá tido quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria, mas esta última é estranhamente rara. Em vez disso, hoje observamos sobretudo matéria no Universo, uma aparente violação da simetria esperada entre as duas.

Os cientistas suspeitam que as respostas possam estar escondidas em certos núcleos atómicos, cujo interior poderá conter pistas sobre a escassez dos seus equivalentes de antimatéria.

O rádio é um candidato particularmente promissor, explicam os investigadores, devido à forma em pêra do seu núcleo. A maioria dos núcleos atómicos é esférica; a arquitetura assimétrica do rádio pode aumentar a observabilidade de violações de simetria fundamentais.

“Prevê-se que o núcleo de rádio seja um amplificador desta quebra de simetria, porque o seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante invulgar”, diz Garcia Ruiz.

Ainda assim, continua a ser um desafio difícil.

“O rádio é naturalmente radioativo, tem uma vida útil curta e, neste momento, só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades muito pequenas”, diz Shane Wilkins, autor principal e físico, antigo pós-doutorado do MIT e atualmente na Michigan State University. “Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para as medir.”

A chave está em incorporar um átomo de rádio numa molécula, que contém e intensifica a atividade dos seus eletrões, explica Silviu-Marian Udrescu, físico da Johns Hopkins University, que participou no estudo enquanto estudante de doutoramento no MIT.

“Quando colocamos este átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que os seus eletrões sentem é ordens de grandeza superior ao dos campos que conseguimos produzir e aplicar num laboratório”, diz Udrescu. “De certa forma, a molécula funciona como um colisor de partículas gigante e dá-nos uma melhor hipótese de sondar o núcleo do rádio.”

Dentro do monofluoreto de rádio, os eletrões do átomo de rádio ficaram constrangidos de forma a aumentar a probabilidade de entrarem no núcleo. Os investigadores confinaram e arrefeceram as moléculas e, depois, usaram lasers para medir as energias dos eletrões no seu interior.

Pequenas, mas significativas, alterações nos dados apontaram para viagens ao interior do núcleo.

“Existem muitas experiências a medir interações entre núcleos e eletrões fora do núcleo, e sabemos como essas interações se comportam”, diz Wilkins.

“Quando passámos a medir estas energias eletrónicas com muita precisão, os resultados já não batiam certo com o que esperávamos, assumindo que as interações ocorriam apenas fora do núcleo”, acrescenta. “Isso mostrou-nos que a diferença tinha de ser causada por interações dos eletrões dentro do núcleo.”

Esta descoberta pode transformar a forma como estudamos núcleos atómicos, referem os investigadores. Embora saibamos o quão teimosamente evasivas podem ser as partículas subatómicas; não revelam os seus segredos facilmente.

“Agora temos prova de que conseguimos amostrar o interior do núcleo. É como medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas conseguem medir o campo no exterior, mas medir o interior de uma bateria é muito mais difícil. E é isso que agora conseguimos fazer”, diz Garcia Ruiz.

“Prevê-se que as moléculas que contêm rádio sejam sistemas excecionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza”, acrescenta. “Agora temos uma forma de fazer essa busca.”

O estudo foi publicado na Science.