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Átomo de hélio 4: uma anomalia explicada por... um famoso problema de astronomia
Publicado por Adrien, Fonte: CNRS IN2P3 Outras Línguas: FR, EN, DE, ES
Uma medida experimental identificou recentemente um desvio significativo entre as previsões teóricas e a observação do comportamento do núcleo de hélio 4.
O trabalho de uma colaboração internacional de teóricos trouxe uma nova perspectiva sobre as configurações dos nucleões e sua ligação nesse núcleo. Em particular, uma evolução na concepção do estado ressonante desse núcleo leve, capaz de esclarecer os cientistas sobre fenômenos astrofísicos importantes, permitiu reconciliar teoria e experimentação.
Mainz, 2021: uma equipe de pesquisadores bombardeia com elétrons os núcleos de hélio 4, com o objetivo de observar a transição deste núcleo, também conhecido como partícula alfa, de seu estado fundamental para seu primeiro estado excitado (ressonante). Este experimento, entre outros objetivos, visa comparar um valor medido relacionado a esta transição com o previsto por um modelo líder do núcleo atômico, baseado nas "Chiral Effective Field Theories" (ChEFTs).
Choque: o valor medido no Microtron da Universidade de Mainz (MaMi) é duas vezes inferior às previsões teóricas, o que parece inicialmente um revés doloroso para alguns modelos do núcleo. Inicia-se então a busca: como conciliar essa observação experimental e os modelos baseados numa teoria ChEFT?
Esse quebra-cabeça foi recentemente resolvido por uma colaboração internacional de teóricos, composta por Nicolas Michel (Academia de Ciências Chinesa), Witek Nazarewicz (Universidade Estadual de Michigan) e Marek Płoszajczak, pesquisador no GANIL. Marek explica: "Usar uma ChEFT para calcular certas propriedades do núcleo atômico requer inicialmente modelar o comportamento dos nucleões dentro do núcleo. Estamos falando de resolver o 'problema de N-corpos'".
Para resolver esse problema no hélio 4, os teóricos, até recentemente, concebiam a partícula alfa como um sistema autônomo e independente, dentro do qual os nucleões simplesmente se afastam um dos outros quando o núcleo absorve energia. Nessa configuração, que qualificamos como um sistema quântico fechado, podemos imaginar o núcleo inflando como um balão de festa quando recebe energia".
A partícula alfa não é um sistema quântico fechado, mas sim um sistema aberto, onde se sobrepõem vários sistemas de canais de reação. Imagem: Witek Nazarewicz
A ideia inovadora dos três pesquisadores consistiu em propor uma visão diferente do núcleo excitado: ao invés de considerá-lo como um sistema quântico fechado, o trio de pesquisadores preferiu abordar o núcleo de hélio 4 como um sistema aberto onde vários sistemas de canais de reações se sobrepõem (um núcleo de hidrogênio 3 acompanhado de um próton, um núcleo de hélio 3 com um nêutron, ou dois núcleos de hélio 2). "Foi exatamente a resolução do problema de N-corpos nesse paradigma que permitiu reproduzir os resultados experimentais obtidos no MaMi", confirma Marek.
Tudo está bem quando termina bem? Esta ginástica teórica dá credibilidade aos modelos existentes e também se aplicará a outros núcleos leves para entender melhor o processo de sua excitação. No entanto, o episódio também destaca a dificuldade de levar em conta os detalhes mais sutis no estudo dos núcleos atômicos e a necessidade de tal profundidade de análise para compreender fenômenos nucleares simples.
Vale a pena a empreitada: as transições entre estados fundamentais e ressonantes dos núcleos leves, bem como a estrutura microscópica desses estados ressonantes, são essenciais em fenômenos astrofísicos, como a formação de estrelas de nêutrons ou a nucleossíntese estelar, aproximando-nos assim de uma compreensão global da química do Universo.