Cold Hypersonic Gas Jets for Precision Laser Spectroscopy of Radioactive Molecules

Nas profundezas do coração da matéria, onde prótons e nêutrons se ligam para formar núcleos atômicos, reside uma sutil assimetria que poderia reescrever nossa compreensão do universo. Físicos há muito suspeitam que as forças fundamentais que governam essas partículas podem não ser perfeitamente simétricas, uma violação conhecida como violação de carga-paridade. Se tal violação existir, ela se manifestaria como uma minúscula e permanente separação de cargas positiva e negativa dentro do próprio núcleo, uma propriedade chamada momento de Schiff nuclear. Detectar esse efeito minúsculo é incrivelmente difícil porque os elétrons que cercam o núcleo geralmente o blindam da visão. No entanto, cientistas teorizaram que, se conseguirem colocar esses núcleos dentro de certas moléculas, os campos elétricos internos da molécula poderiam amplificar esse sinal oculto, tornando-o visível para instrumentos sensíveis. Essa busca não é apenas sobre encontrar uma nova força; é uma sonda para a física que reside além do nosso atual modelo padrão, potencialmente explicando por que o universo é feito de matéria em vez de antimatéria. Para ter sucesso, os pesquisadores devem estudar essas moléculas enquanto elas estão quase imóveis, resfriando-as para temperaturas de apenas alguns graus acima do zero absoluto para eliminar o ruído térmico que, de outra forma, abafaria o sinal.

Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo decisivo em direção a esse objetivo ao demonstrar uma nova maneira de criar e estudar essas moléculas radioativas frias. Trabalhando em uma instalação na Bélgica, os cientistas focaram em moléculas feitas de tório e oxigênio, especificamente versões contendo isótopos raros e de vida curta de tório. O desafio deles era pegar um alvo de material sólido, transformá-lo em um gás de moléculas e, em seguida, resfriar esse gás tão rapidamente que as moléculas parariam de oscilar e girar descontroladamente, estabelecendo-se em um estado calmo e previsível. Para alcançar isso, eles empregaram uma técnica envolvendo um bocal especializado, com formato de um bocal de Laval, que acelera o gás a velocidades supersônicas. À medida que o gás passa por este bocal e se expande em um vácuo, ele esfria dramaticamente, de forma muito semelhante a como um jato de ar comprimido parece frio quando atinge sua pele, mas em uma escala onde as próprias moléculas perdem quase todo o seu calor interno.

Os pesquisadores começaram criando um fluxo de moléculas de óxido de tório. Eles usaram um laser de alta potência para bombardear um pequeno ponto em um alvo feito de tório, vaporizando o material e enviando uma nuvem de átomos e moléculas quentes para uma câmara cheia de gás argônio. Essa nuvem foi então varrida por um fluxo constante de argônio em direção ao bocal. À medida que a mistura passava pelo bocal, a rápida expansão resfriava as moléculas. A equipe então usou um segundo conjunto de lasers para sondar as moléculas, incidindo luz em frequências específicas para ver como elas absorviam energia. Ao ajustar cuidadosamente esses lasers e medir os sinais resultantes, eles puderam determinar a temperatura das moléculas de três maneiras diferentes: a rapidez com que se moviam para frente, a rapidez com que giravam e o quanto vibravam.

Os resultados foram impressionantes. As moléculas foram resfriadas a uma temperatura translacional de cerca de 12,5 Kelvin, o que é aproximadamente 12,5 graus acima do zero absoluto. Ainda mais impressionante, seu movimento de rotação, ou rotação, foi resfriado para apenas 7,2 Kelvin. Este frio extremo significava que as moléculas não estavam tombando caoticamente, mas estavam, em vez disso, alinhadas de uma forma muito ordenada, permitindo que os pesquisadores vissem suas linhas espectrais com clareza sem precedentes. Embora não pudessem medir a temperatura exata das vibrações das moléculas, descobriram que as moléculas não estavam vibrando em estados excitados, estabelecendo um limite superior para essa temperatura em 250 Kelvin. Este nível de resfriamento é uma melhoria significativa em relação aos métodos anteriores, que frequentemente deixavam as moléculas quentes demais e caóticas para serem estudadas em detalhes.

Com as moléculas agora calmas e frias, a equipe foi capaz de medir como os níveis de energia das moléculas mudavam quando utilizavam diferentes isótopos de tório. Esse deslocamento, conhecido como deslocamento isotópico, contém informações sobre o tamanho e a forma do núcleo. Ao comparar suas medições com cálculos teóricos, os pesquisadores descobriram que as moléculas eram incrivelmente sensíveis a mudanças no raio de carga nuclear. Eles determinaram um fator de deslocamento de campo que era significativamente maior do que o observado em átomos isolados, confirmando que as moléculas podem, de fato, atuar como poderosos amplificadores para esses efeitos nucleares. Os dados experimentais concordaram bem com as complexas simulações de computador realizadas pela equipe, que usou mecânica quântica avançada para prever como os elétrons e os núcleos interagiriam. Esse acordo entre as medições do mundo real e os modelos teóricos dá aos cientistas confiança de que suas ferramentas estão funcionando corretamente e de que estão no caminho certo.

Este trabalho é mais do que um sucesso técnico; ele abre uma nova porta para o estudo dos elementos mais pesados da tabela periódica. A capacidade de produzir e resfriar moléculas radioativas como o óxido de tório significa que os cientistas podem agora aplicar essas técnicas precisas de laser a outros isótopos de vida curta que eram anteriormente difíceis de manipular. Os pesquisadores planejam usar este método para estudar moléculas ainda mais exóticas, incluindo potencialmente aquelas que não contêm nobelio ou laurencio, elementos que existem apenas por momentos antes de decairem. Ao dominar a arte de resfriar essas moléculas fugazes, a equipe lançou as bases para uma nova geração de experimentos que poderiam finalmente revelar as sutis violações de simetria escondidas profundamente no núcleo atômico, aproximando-nos de compreender as regras fundamentais que governam o nosso universo.