Novo acelerador de partículas deve revelar segredos do núcleo atômico

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Um dos pontos fundamentais, seja no campo da física, química ou filosofia é a formação da matéria. Sabemos que a matéria é formada por estruturas chamadas átomos que, por sua vez, possuem um núcleo (onde existem prótons e nêutrons), que é orbitado em regiões e distâncias específicas por partículas menores chamadas elétrons.

Os núcleos dos átomos são particularmente interessantes. Nessas regiões, que são muito pequenas mesmo se comparadas ao tamanho do próprio átomo, os prótons, partículas de cargas positivas e que naturalmente se repelem, ficam comprimidos e muito próximos uns dos outros. O número de prótons presentes em um núcleo atômico determina o elemento em questão, isto é, cada elemento químico que conhecemos possui um número específico de prótons. Por exemplo, o oxigênio que respiramos possui 8 prótons em seu núcleo, enquanto o hidrogênio, que forma a água que bebemos, possui um único próton.

Os nêutrons (partículas sem carga elétrica), que também estão presentes nos núcleos atômicos, podem ser encontrados em diferentes quantidades. Átomos de um mesmo elemento que possuem números diferentes de nêutrons são chamados isótopos. No caso do oxigênio, por exemplo, temos 3 isótopos estáveis, com 8, 9 ou 10 nêutrons, e 18 isótopos não estáveis, onde o núcleo possui nêutrons em falta ou excesso. Essa falta ou excesso de nêutrons faz com que um isótopo emita radiação e decaia para um isótopo estável ou mesmo para outro elemento químico.

Ilustração mostra a uma representação da estrutura de um átomoIlustração mostra uma representação da estrutura de um átomoFonte:  Shutterstock 

Físicos e químicos preveem a existência teórica de cerca de 8.000 isótopos, considerando todos os elementos químicos conhecidos. Porém, só 3.300 desses isótopos foram observados nos detectores. A dificuldade na observação dos isótopos não estáveis encontra-se no fato de que a quantidade de energia necessária para “colocar” ou “tirar” nêutrons de um núcleo e produzir um novo isótopo é muito específica.

Nesse sentido, algo que tem animado cientistas é a inauguração de um novo acelerador de partículas que está sendo construído na Universidade do Michigan, nos Estados Unidos e deve ter o início de seus trabalhos já no começo de 2022. O FRIB (Facility For Rare Isotope Beams), como é chamado, ou Instalação para Feixes de Isótopos Raros em tradução literal, promete, entre outras coisas, tornar possível a produção até 80% do total de isótopos previstos.

A vantagem desse novo instrumento está na intensidade do seu feixe de partículas. Ou seja, no FRIB, os feixes acelerados não possuem necessariamente mais energia do que outros aceleradores já existentes, mas sim feixes que carregam uma quantidade muito maior de partículas. Por exemplo, dependendo do elemento a ser estudado, os pesquisadores poderão acelerar cerca de 50 trilhões de partículas por segundo, o que aumenta muito a possibilidade de produção de isótopos raros quando essas partículas colidirem com uma parede de grafite (carbono).

Ilustração mostra a evolução dos modelos atômicos ao longo do tempoIlustração mostra a evolução dos modelos atômicos ao longo do tempoFonte:  Shutterstock 

Estudos desse tipo podem ser de imensa importância no entendimento de uma questão mais fundamental do que a formação da matéria. Tal questão seria: se a matéria é formada por átomos (que se formam de partículas ainda menores), como essas partículas se organizam para formar os átomos em primeiro lugar?

A questão sobre como são formados os átomos é ainda de grande interesse para a comunidade científica. Sabe-se, até aqui, que átomos de elementos vitais para a vida como o oxigênio, carbono e o ferro, por exemplo, são formados a partir da fusão das partículas elementares no interior de estrelas como o Sol devido às imensas temperaturas, pressões e à grande força de atração gravitacional. Porém, elementos que possuem um número de prótons muito grande só podem ser formados em ambientes ainda mais extremos, como a “morte” de uma estrela gigante que consiste numa imensa explosão chamada de supernova.

Além de buscar resposta para questões tão elementares e essenciais para a evolução do conhecimento humano sobre o universo, a produção de isótopos no FRIB possui também aplicações diversas e imediatas como a produção de isótopos úteis na obtenção de imagens e para tratamentos médicos. Um exemplo, é a produção em escala do isótopo raro do metal Térbio-149 que emite, em seu decaimento, uma radiação essencial para matar células cancerígenas, numa técnica conhecida como radioterapia.

É comum, na história da Ciência, quando um novo centro inaugura uma tecnologia de pesquisa que não existia anteriormente, como o FRIB, que se teste os limites das previsões científicas conhecidas e, possivelmente, que se encontre algo totalmente inesperado.

Rodolfo Lima Barros Souza, professor de Física e colunista do TecMundo. É licenciado em Física e mestre em Ensino de Ciências e Matemática pela Unicamp na área de Percepção Pública da Ciência. Está presente nas redes sociais como @rodolfo.sou.