Força nuclear desprezada ajuda a manter a matéria estável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/01/2025

As forças envolvidas no núcleo atômico podem ser comparadas a um jogo de arremessar a bola, cujas regras agora ficaram mais claras.
[Imagem: Tokuro Fukui/Kyushu University]

Forças nucleares

Alguns núcleos atômicos são muito mais estáveis do que outros, mas ainda não entendemos o porquê. E seria bom saber não apenas para matar a curiosidade, mas também para ajudar a explicar um monte de coisas, dos fenômenos astrofísicos à criação dos elementos químicos mais pesados, passando pela fusão nuclear.

A maior parte da massa de um átomo é compactada em seu minúsculo núcleo, que contém prótons e nêutrons, conhecidos coletivamente como núcleons. Entender como esses núcleons interagem para manter o núcleo estável e em um estado de baixa energia tem sido uma questão central na física nuclear há mais de um século.

A força nuclear mais poderosa é a força de dois núcleons, que atrai dois núcleons a longa distância, para aproximá-los, e os faz se repeliram a distâncias mais curtas, para impedir que os núcleons se aproximem demais.

Mas também existe uma outra força, conhecida como força de três núcleons, e é justamente sobre ela que pesquisadores japoneses têm novidades. E novidades das grandes.

"Os cientistas formaram um bom entendimento da força de dois núcleons e como ela impacta a estabilidade nuclear," explicou Tokuro Fukui, da Universidade de Kyushu. "Por outro lado, a força de três núcleons, que é quando três núcleons interagem entre si simultaneamente, é muito mais complicada e mal compreendida."

A força dos três núcleons aumenta a divisão spin-órbita, o que causa uma lacuna de energia maior entre as camadas nucleares e estabiliza o núcleo.
[Imagem: Tokuro Fukui/Kyushu University]

Forças entre núcleons

Fukui descreve as forças nucleares comparando-as a um jogo de arremessar a bola. Com a força de dois núcleons, dois jogadores, ou núcleons, interagem jogando uma bola um para o outro. A bola, uma partícula subatômica chamada méson, pode variar em peso, com o méson mais leve, conhecido como píon, responsável pela atração de longo alcance entre os núcleons.

Com a força de três núcleons, há três jogadores, ou núcleons, e bolas, ou mésons, são passadas entre eles. Ao mesmo tempo em que jogam e pegam as bolas, os jogadores, ou núcleons, também giram e se movem em uma órbita dentro do núcleo.

O que Fukui e seus colegas descobriram é que, à medida que o núcleo do átomo fica maior - quando consideramos diferentes elementos químicos -, a força de três núcleons fica mais forte. E isso tem um impacto direto na estabilidade nuclear.

Quando dois píons são trocados entre três núcleons, os núcleons ficam limitados no modo como podem se movimentar e girar, com apenas quatro combinações possíveis. Os cálculos da equipe revelaram que uma dessas combinações, conhecida como "componente de classificação 1", desempenha um papel crucial na promoção da estabilidade nuclear.

O ganho de estabilidade do núcleo atômico ocorre devido ao aprimoramento de um processo conhecido como divisão spin-órbita. Quando os núcleons giram e orbitam na mesma direção, o alinhamento desses núcleons leva a uma redução de energia. Mas, quando os núcleons giram e orbitam em direções opostas, esses núcleons existem em um estado de energia mais alto. Isso significa que os núcleons "se dividem" em diferentes camadas de energia, fornecendo ao núcleo uma estrutura mais estável.

"Nossas simulações de supercomputador mostraram que, enquanto a força de três núcleons aumenta o estado de energia dos núcleons com spin e órbita alinhados, ela faz com que os núcleons com spins e órbitas opostas ganhem ainda mais energia. Isso resulta em uma lacuna de energia maior entre as camadas, tornando os núcleos ainda mais estáveis," detalhou Fukui.

Logo depois de fazer a primeira imagem do núcleo do átomo de carbono, os físicos descobriram uma estrutura parecida com uma molécula dentro do núcleo de berílio.
[Imagem: Serdar Elhatisari/University of Bonn]

Da formação de elementos químicos à computação quântica

O efeito de estabilização se torna mais pronunciado em núcleos mais pesados, que contêm mais núcleons. No elemento mais pesado simulado pela equipe, o carbono-12, que tem 12 núcleons, a força de três núcleons fez com que a lacuna de energia se ampliasse por um fator de 2,5.

"Esse efeito é tão grande que tem quase o mesmo peso do impacto da força de dois núcleons. Esperamos que o efeito seja ainda mais forte para elementos mais pesados que o carbono-12, que planejamos estudar como parte de nossos próximos passos," disse Fukui.

Nos casos em que o núcleo já contém um "número mágico" de prótons ou nêutrons, uma quantidade que preenche completamente suas camadas, o núcleo se torna excepcionalmente estável, o que pode dificultar o processo de fusão nuclear e, por decorrência, a formação de elementos cada vez mais pesados - acredita-se que somente explosões estelares, conhecidas como supernovas, tenham energia suficiente para criar esses átomos.

Finalmente, os pesquisadores descobriram outro efeito surpreendente da força de três núcleons nos spins dos núcleons. Quando está em jogo apenas a força de dois núcleons, os estados de spin de ambos os núcleons podem ser medidos individualmente. No entanto, a força de três núcleons cria entrelaçamento quântico, onde dois dos três núcleons têm spins que existem em ambos os estados ao mesmo tempo, pelo menos até que eles sejam medidos.

"O entrelaçamento quântico de núcleons pode ocorrer exatamente como com os elétrons, embora a massa maior dos núcleons apresente desafios diferentes. Essas diferenças podem ter implicações para pesquisas futuras, incluindo em tecnologias emergentes como a computação quântica," prevê Fukui.

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