The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

Na busca para compreender os limites do próprio limite da matéria, físicos nucleares tentam constantemente construir os átomos mais pesados possíveis. Esses elementos superpesados não existem na natureza; eles devem ser criados em um laboratório, colidindo dois núcleos atômicos mais leves a velocidades incríveis. Quando eles colidem, às vezes fundem-se em um único núcleo massivo e altamente excitado. Esta nova criação é instável, como um pião oscilando sobre uma mesa, e deve esfriar rapidamente para sobreviver. Ela faz isso disparando partículas minúsculas, especificamente nêutrons, para se livrar do excesso de energia. Se ela conseguir esfriar sem se partir, torna-se um novo elemento mais pesado. No entanto, as chances de isso acontecer são incrivelmente baixas. O núcleo está constantemente lutando uma batalha entre duas forças: o desejo de esfriar expelindo nêutrons e o impulso avassalador de se dividir em dois, um processo chamado fissão. A diferença entre criar um novo elemento e vê-lo desaparecer em uma fração de segundo muitas vezes resume-se a uma fração de segundo e uma pequena quantidade de energia.

Uma equipe de pesquisadores no Uzbequistão deu um novo olhar sobre como essa batalha de resfriamento ocorre, especificamente para uma reação que cria um isótopo do elemento flerovio. Eles focaram em uma colisão específica: um feixe de átomos de cálcio-48 atingindo um alvo de plutônio-244. Esta reação é uma das formas mais confiáveis que os cientistas têm atualmente para fabricar núcleos superpesados, mas prever exatamente quantos desses novos átomos serão criados tem sido um desafio difícil. Os pesquisadores descobriram que a forma padrão pela qual os cientistas calcularam essas probabilidades por décadas estava perdendo uma peça crucial do quebra-cabeça. Ao mudar a forma como modelavam o processo de resfriamento, descobriram que os métodos antigos estavam subestimando significativamente as chances de sobrevivência para certos resultados, revelando que a relação entre quantos nêutrons são expelidos e o risco de o núcleo se dividir é muito mais interligada do que se pensava anteriormente.

O estudo centra-se em um momento específico na vida de um núcleo superpesado. Após a colisão inicial fundir o cálcio e o plutônio, o núcleo resultante está quente e girando. Ele deve perder energia para sobreviver. Ele faz isso emitindo nêutrons um a um. Em cada etapa deste processo de resfriamento, o núcleo enfrenta uma escolha: ele pode emitir outro nêutron e viver para ver o próximo passo, ou pode se dividir e morrer. No passado, os cientistas calculavam a probabilidade desta sobrevivência tratando estas duas escolhas como eventos separados. Eles primeiro estimavam quantos nêutrons o núcleo provavelmente descartaria em média e, depois, separadamente, calculavam a chance de ele se dividir em cada etapa ao longo desse caminho médio. Era um método que assumia que o núcleo seguia uma trajetória única e previsível.

A nova pesquisa desafia essa separação. Os autores argumentam que o núcleo não segue um único caminho médio. Em vez disso, cada núcleo no experimento segue seu próprio caminho único, perdendo quantidades diferentes de energia em tempos diferentes. Alguns núcleos perdem energia rapidamente e tornam-se frios cedo; outros permanecem quentes por mais tempo. O risco de divisão é maior quando o núcleo está quente. Portanto, os núcleos que sobrevivem tempo suficiente para emitir vários nêutrons não são os núcleos "médios" quentes; são aqueles que, por acaso, permaneceram mais frios que a média. Ao tratar o número de nêutrons e o risco de divisão como independentes, o método antigo perdeu esse efeito de filtragem sutil. Ele assumiu que os sobreviventes eram tão quentes quanto a média, quando, na realidade, os sobreviventes eram os sortudos, mais frios.

Para testar essa ideia, os pesquisadores construíram um novo modelo computacional que rastreia toda a população de núcleos, não apenas uma média. Eles simularam a colisão e acompanharam milhares de núcleos individuais enquanto eles esfriavam, permitindo que cada um tomasse suas próprias decisões sobre se emitiria um nêutron ou se dividiria. Esta abordagem "acoplada" significava que o número de nêutrons emitidos e a competição com a fissão eram determinados simultaneamente para cada núcleo, com base em sua energia real naquele momento. Os resultados foram impressionantes. Para a reação específica que estudaram, o novo método mostrou que a chance de criar um tipo específico de átomo de flerovio (formado pela emissão de três nêutrons) era muito maior do que o método antigo previa. Em certos níveis de energia, o novo cálculo mostrou uma probabilidade de sobrevivência dezessete a vinte e quatro vezes maior do que a estimativa tradicional.

Essa diferença massiva não significava que o número total de átomos criados estava errado, mas sim que a distribuição dos diferentes tipos de átomos o estava. O método antigo não estava apenas um pouco errado; ele estava julgando mal a força relativa de diferentes resultados. Ele subestimava a probabilidade do resultado de três nêutrons enquanto tinha um efeito muito menor no resultado de quatro nêutrons. Isso sugere que o acoplamento entre o resfriamento e a divisão é a chave para entender por que algumas reações produzem mais de um isótopo do que outro. Os pesquisadores também descobriram que a altura exata da barreira de energia que mantém o núcleo unido é crítica. Eles testaram duas maneiras diferentes de calcular essa barreira, que diferiam em menos de um milhão de elétron-volts — uma quantidade minúscula no mundo da física nuclear. No entanto, essa pequena diferença mudou a probabilidade de sobrevivência prevista em mais de dez vezes. Isso destaca que, embora o novo método de rastrear o processo de resfriamento seja uma grande melhoria, a maior incerteza restante reside no conhecimento da força precisa das forças que mantêm esses núcleos superpesados unidos.

A equipe comparou seus novos cálculos com dados experimentais reais coletados ao longo das últimas duas décadas de laboratórios na Rússia, Alemanha e Estados Unidos. Seu novo modelo, que leva em conta a natureza ligada do resfriamento e da divisão, reproduziu com sucesso oito dos quatorze pontos de dados medidos dentro de um fator de dois. Este é um avanço significativo em precisão para um sistema tão complexo. Embora o modelo ainda tivesse dificuldades em corresponder perfeitamente aos dados na borda ascendente da curva de energia e em energias muito altas, ele forneceu uma imagem muito mais clara do processo do que tentativas anteriores. O trabalho demonstra que, para prever verdadeiramente a criação de elementos superpesados, os cientistas devem parar de tratar o processo de resfriamento como uma média simples e linear e começar a considerar as jornadas complexas e individuais de cada núcleo.

Em última análise, este estudo não apenas refina um número; ele muda a compreensão do próprio mecanismo. Mostra que a sobrevivência de um núcleo superpesado não é uma questão de estatística simples aplicada a um caminho médio, mas um processo de filtragem complexo onde os sobreviventes são um subconjunto específico e mais frio da população original. Os pesquisadores concluem que, embora seu novo método seja uma ferramenta poderosa, o caminho a seguir exige um conhecimento ainda mais preciso das forças nucleares em jogo. Até que a força exata da barreira de fissão seja conhecida com maior certeza, as previsões de quantos novos elementos podem ser criados permanecerão limitadas, não importa quão sofisticado o modelo computacional se torne. O trabalho serve como um lembrete de que, no mundo subatômico, os detalhes de como as coisas acontecem são tão importantes quanto o resultado final.