Levitação cria nova técnica para detectar partículas exóticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/08/2024

Detectar partículas individuais sendo emitidas de um objeto pela medição do recuo do objeto terá múltiplos usos.
[Imagem: J Wang]

Detecção de partículas

Físicos desenvolveram uma nova técnica que abre possibilidades para detectar partículas elusivas, dos neutrinos e das partículas geradas pelo decaimento radioativo até eventuais partículas que hoje só são teorizadas - como as partículas de matéria escura ou os grávitons -, mas que ninguém conseguiu ainda observar.

E tudo foi feito usando um pequeno aparato de mesa, tirando proveito da levitação de pequenas partículas, um procedimento que vem sendo aprimorado nos anos recentes por várias equipes. Isto significa que o aparato poderá ser montado em qualquer laboratório e ainda poderá ser miniaturizado.

Jiaxiang Wang e seus colegas da Universidade de Yale, nos EUA, detectaram o decaimento nuclear de núcleos individuais de hélio incorporando átomos radioativos em um objeto de tamanho micrométrico, uma minúscula esfera de sílica, e medindo o recuo da microesfera conforme as partículas ejetadas pelo decaimento radioativo escapavam dela.

Para obter essa sensibilidade, a equipe primeiro fez a microesfera levitar usando as forças geradas por um feixe de laser focado. Esta técnica é conhecida como pinça óptica e é rotineiramente empregada para segurar e mover objetos de tamanho nanométrico - a invenção das pinças ópticas ganhou o Nobel de Física de 2018.

A equipe conseguiu então detectar o decaimento nuclear de núcleos individuais de hélio incorporados na microesfera medindo o recuo da esfera quando cada partícula escapava.

A pequena esfera de sílica, flutuando quase imóvel dentro de uma câmara de vácuo.
[Imagem: Yale Wright Lab]

Conservação do momento levada ao limite

Embora a levitação chame a atenção, esta técnica inteiramente nova de estudar partículas se baseia no conhecido princípio da conservação do momento, um conceito fundamental em física, juntamente com a conservação da energia e a conservação da massa - o momento é o resultado da massa vezes a velocidade.

O princípio é que, como o momento não pode ser criado nem destruído, a sua quantidade total deve permanecer constante. Como o átomo radioativo está embutido em um objeto maior, o produto do decaimento que sai dele exercerá uma reação inversa no objeto, fazendo-o recuar na direção oposta.

"A conservação do momento garante que o momento transportado pelo objeto e a partícula alfa emitida sejam os mesmos. Isso significa que medir o recuo do objeto nos fornece informações sobre os produtos de decaimento," disse o professor Wang.

É claro que o recuo é minúsculo, mas a equipe conseguiu detectar partículas alfa (núcleos de hélio) emitidas por átomos de chumbo-212 usando a luz que reflete sobre a microesfera para monitorar seu movimento. No nível tecnológico alcançado pela equipe, eles conseguiram medir forças 10^-20 N e acelerações de 10^-7 g.

A equipe encara seu experimento como uma prova de princípio, e agora pretende usá-la para detectar partículas ainda mais elusivas, como os neutrinos, que são extremamente difíceis de detectar diretamente. Outra utilização possível será no monitoramento ambiental, testando se partículas de poeira coletadas do meio ambiente contêm isótopos radioativos potencialmente prejudiciais.

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