Reações cósmicas em laboratório podem explicar origem dos elementos químicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/10/2021

O experimento pode parecer simples, mas exige um laboratório gigantesco.
[Imagem: FRIB]

Formação dos elementos químicos

Depois que o Big Bang ejetou sua sopa de quarks e glúons por todos os lados, essas partículas elementares começaram a resfriar e, eventualmente, começaram a se juntar em prótons e nêutrons, depois em núcleos e, finalmente, em átomos dos mais diversos elementos.

Essa explicação parece boa para um programa de divulgação nos canais de TV a cabo, mas na verdade esconde uma das questões centrais da física: Como é que os elementos químicos se formaram?

Já existem respostas bem detalhadas para os elementos mais leves, como hidrogênio e hélio, mas a tabela periódica é muito maior.

Agora, pesquisadores da Universidade do Estado de Michigan, nos EUA, finalmente construíram um experimento capaz de testar experimentalmente as condições que seriam necessárias para formar os elementos químicos mais pesados.

O experimento se chama Solaris (Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies, ou aparelho de espectrômetro solenoide para estudos de reação) e fica no laboratório FRIB (Facility for Rare Isotope Beams, ou instalação para feixes de isótopos raros).

"Estrelas que explodem, a fusão de estrelas gigantes em colapso, agora estamos aprendendo detalhes sobre as reações nucleares no centro desses eventos. Com o Solaris, podemos recriar essas reações aqui na Terra, para vê-las por nós mesmos," disse o professor Ben Kay.

O coração do experimento é uma máquina de ressonância magnética adaptada.
[Imagem: FRIB/ANL]

Isótopos exóticos

Isótopos são elementos que compartilham o mesmo número de prótons, mas têm números diferentes de nêutrons. Os cientistas referem-se a certos isótopos como "exóticos" porque suas proporções de prótons para nêutrons diferem daquelas dos isótopos tipicamente estáveis ou de vida longa, que ocorrem naturalmente na Terra.

Alguns desses isótopos instáveis desempenham um papel essencial em eventos astronômicos.

O novo experimento usa ímãs supercondutores de uma máquina de imagem de ressonância magnética (MRI), como as encontradas em hospitais. Em ambos, um feixe de partículas é disparado em um material alvo dentro de uma câmara de vácuo. Quando as partículas colidem com o alvo, ocorrem as chamadas "reações de transferência".

Nessas reações, nêutrons ou prótons são removidos ou adicionados dos núcleos, dependendo das partículas e das energias usadas na colisão.

O que diferencia o novo aparelho é que ele conta com dois modos de detecção, um normal, baseado em sensores de silício operando a vácuo, e outro inovador, consistindo em um alvo preenchido com gás, de modo que o mesmo dispositivo funciona tanto como alvo, quanto como sensor. "Ao encher a câmara com gás, você está garantindo que menos partículas maiores do feixe de baixa intensidade entrarão em contato com o material alvo," explicou Kay.

Dessa forma, os cientistas podem estudar os produtos dessas colisões.

O experimento deverá gerar mais de 1.000 novos isótopos nunca antes produzidos na Terra.
[Imagem: FRIB]

Oxigênio-16

Em sua fase de "aquecimento", o experimento examinou a decomposição do oxigênio-16 (o isótopo de oxigênio mais comum em nosso planeta) em partículas alfa, muito menores. Em particular, os oito prótons e oito nêutrons nos núcleos de oxigênio-16 se dividem em um total de quatro partículas alfa, cada uma consistindo de dois prótons e dois nêutrons.

"Ao determinar como o oxigênio-16 decai dessa forma, podem ser feitas comparações com o 'estado de Hoyle', um estado excitado de um isótopo de carbono que acreditamos desempenhar um papel fundamental na produção de carbono nas estrelas," explicou Kay.

O objetivo é ir aumentando a energia paulatinamente, de forma a estudar a origem de elementos cada vez mais pesados - em termos de peso atômico, o carbono é apenas o número seis da tabela periódica.

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