Núcleo atômico deformado pode indicar existência de força escura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/02/2025

As armadilhas de íons (canto superior direito) e o espectrômetro de massas (canto inferior esquerdo) foram usados para obter uma nova visão sobre as diferenças entre isótopos e estabelecer novos limites para uma "força escura".
[Imagem: MPIK / PTB / Brookhaven National Laboratory]

Forças escuras

O arsenal de ideias sobre o que pode ser a matéria escura está praticamente vazio, tornando o próprio conceito de matéria escura uma ideia prestes a ser abandonada.

Sem resultados usando o que parecia ser razoável, alguns físicos passaram a apostar em ideias mais exóticas, por exemplo a de que "forças escuras" poderiam explicar a matéria escura - essas "forças obscuras" seriam responsáveis pela comunicação, ou interação, entre a matéria visível normal e a hipotética matéria escura.

Há alguns fundamentos para isso. Por exemplo, em 2020 físicos descobriram um desvio do resultado esperado - uma não linearidade - ao examinar mudanças nos elétrons de isótopos do elemento itérbio - isótopos são variantes de um elemento atômico que diferem apenas no número de nêutrons no núcleo.

Isso deixou o mundo dos físicos atômicos em polvorosa: Seria essa anomalia o primeiro indício experimental de uma nova força escura ou seria ela devida apenas às propriedades do núcleo atômico? Afinal, mudanças nos níveis de energia atômica poderiam ser induzidas por bósons hipotéticos mediando uma interação adicional desconhecida entre os nêutrons e os elétrons.

"Medir a mudança nas ressonâncias eletrônicas em isótopos é um método particularmente poderoso para lançar luz sobre a interação entre as estruturas nuclear e eletrônica," explica Tanja Mehlstaubler, do Instituto Federal de Física e Tecnologia (PTB) da Alemanha.

Por isso, a equipe decidiu refazer aqueles experimentos, mas com um nível de precisão muito mais elevado - centenas de vezes mais elevado.

Caminhos abertos

A equipe repetiu o experimento realizando medições de alta precisão de frequências de transição atômica e proporções de massa nos isótopos de itérbio. Fazendo espectroscopia óptica usando armadilhas de íons lineares de alta frequência e sistemas de laser ultraestáveis, e usando um espectrômetro de massa de última geração para medir as proporções de massa dos isótopos, os pesquisadores conseguiram realizar medições até 100 vezes mais precisas do que as medições anteriores.

Os resultados confirmaram a anomalia detectada anteriormente. Além disso, a equipe usou novos cálculos de teoria nuclear para estabelecer um novo limite para a existência das hipotéticas forças escuras, guiando novos experimentos e permitindo a melhoria dos modelos teóricos que as preveem.

A equipe foi até mesmo capaz de usar os dados para obter informações diretas sobre a deformação do núcleo atômico ao longo da cadeia de isótopos de itérbio. Isso pode fornecer novos insights sobre a estrutura dos núcleos atômicos pesados e sobre a física da matéria rica em nêutrons, que forma a base para a compreensão das estrelas de nêutrons.

A conclusão da equipe é que "este estudo abre novas oportunidades para a física atômica, nuclear e de partículas colaborar na busca por uma nova física e obter uma melhor compreensão dos fenômenos complexos que determinam a estrutura da matéria".

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