A criação de elementos no laboratório aprofunda a compreensão

Laboratório Nacional DOE/Oak Ridge

vídeo: Nesta animação, uma poderosa estrela de nêutrons, à direita, se alimenta de uma estrela companheira. As reações nucleares na superfície de uma estrela de nêutrons podem reacender, criando uma mistura complexa de reagentes.Veja mais

Crédito: Jacquelyn DeMink/ORNL, Departamento de Energia dos EUA

Liderados por Kelly Chipps, do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, os cientistas que trabalham no laboratório produziram uma reação nuclear característica que ocorre na superfície de uma estrela de nêutrons devorando a massa de uma estrela companheira. Sua conquista melhora a compreensão dos processos estelares gerando diversos isótopos nucleares.

“As estrelas de nêutrons são realmente fascinantes do ponto de vista da física nuclear e da astrofísica”, disse Kelly Chipps, astrofísica nuclear do ORNL, que liderou um estudo publicado na Physical Review Letters. “Uma compreensão mais profunda de sua dinâmica pode ajudar a revelar as receitas cósmicas dos elementos em tudo, desde pessoas a planetas”.

Chipps dirige o Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, ou JENSA, que conta com colaboradores de nove instituições em três países. A equipe usa um sistema de alvo de jato de gás exclusivo, que produz o jato de hélio de maior densidade do mundo para experimentos de aceleradores, para entender as reações nucleares que ocorrem na Terra com a mesma física e no espaço sideral.

O processo de nucleossíntese cria novos núcleos atômicos. Um elemento pode se transformar em outro quando prótons ou nêutrons são capturados, trocados ou expulsos.

Uma estrela de nêutrons tem uma imensa atração gravitacional que pode capturar hidrogênio e hélio de uma estrela próxima. O material se acumula na superfície da estrela de nêutrons até se inflamar em explosões repetidas que criam novos elementos químicos.

Muitas reações nucleares que alimentam as explosões permanecem não estudadas. Agora, os colaboradores do JENSA produziram uma dessas reações nucleares em um laboratório da Michigan State University. Ele restringe diretamente o modelo teórico normalmente usado para prever a formação de elementos e melhora a compreensão da dinâmica estelar que gera isótopos.

Construído no ORNL e agora no Facility for Rare Isotope Beams, uma instalação do DOE Office of Science que a MSU opera, o sistema JENSA fornece um alvo de gás leve que é denso, puro e localizado em alguns milímetros. O JENSA também fornecerá o alvo primário para o Separator for Capture Reactions, ou SECAR, um sistema detector no FRIB que permite que astrofísicos nucleares experimentais meçam diretamente as reações que alimentam estrelas em explosão. O co-autor Michael Smith do ORNL e Chipps são membros da equipe de projeto da SECAR.

Para o experimento atual, os cientistas atingiram um alvo de partículas alfa (núcleos de hélio-4) com um feixe de argônio-34. (O número após um isótopo indica seu número total de prótons e nêutrons.) O resultado dessa fusão produziu núcleos de cálcio-38, que possuem 20 prótons e 18 nêutrons. Como esses núcleos estavam excitados, eles ejetaram prótons e acabaram como núcleos de potássio-37.

Detectores de partículas carregadas de alta resolução ao redor do jato de gás mediram com precisão as energias e os ângulos dos produtos da reação do próton. A medição aproveitou detectores e eletrônicos desenvolvidos no ORNL sob a liderança do físico nuclear Steven Pain. Considerando a conservação da energia e do momento, os físicos calcularam para descobrir a dinâmica da reação.

"Não só sabemos quantas reações ocorreram, mas também sabemos a energia específica em que o núcleo final de potássio-37 acabou, que é um dos componentes previstos pelo modelo teórico", disse Chipps.

O experimento de laboratório melhora a compreensão das reações nucleares que ocorrem quando o material cai na superfície de um importante subconjunto de estrelas de nêutrons. Essas estrelas nascem quando uma estrela massiva fica sem combustível e colapsa em uma esfera tão larga quanto uma cidade como Atlanta, na Geórgia. Então a gravidade comprime as partículas fundamentais o mais próximo possível, criando a matéria mais densa que podemos observar diretamente. Uma colher de chá de estrela de nêutrons pesaria tanto quanto uma montanha. Estrelas repletas de nêutrons giram mais rápido que as lâminas de um liquidificador e formam os ímãs mais fortes do universo. Eles têm crostas sólidas em torno de núcleos líquidos contendo material em forma de espaguete ou macarrão de lasanha, ganhando o apelido de "massa nuclear".