Pesquisadores do grupo de colaboração A1 do Instituto de Física Nuclear da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU), em colaboração com cientistas da China e do Japão, prepararam com sucesso o hidrogênio-6, um dos isótopos mais ricos em nêutrons, usando espalhamento de elétrons pela primeira vez. O experimento, realizado nas instalações do espectrômetro do Mainz MicroAccelerator (MAMI), fornece um novo método para estudar núcleos leves e ricos em nêutrons.Essas descobertas fornecem novos insights e representam desafios significativos para os modelos existentes de interações multinucleônicas.

“Esta medição foi possível graças à combinação única da excelente qualidade do feixe de elétrons MAMI e dos três espectrômetros de alta resolução da colaboração A1”, enfatiza o professor Josef Pochodzalla, do Instituto de Física Nuclear da Universidade Guggenheim, no Japão. Pesquisadores da Universidade Fudan, em Xangai, na China, e da Universidade Tohoku, em Sendai, e da Universidade de Tóquio, no Japão, participaram do experimento.

O trabalho experimental foi liderado pelo estudante de doutorado Shao Tianhao e foi publicado na Physical Review Letters.

Limites estruturais nucleares de sistemas extremamente ricos em nêutrons

Uma das questões mais fundamentais da física nuclear é quantos nêutrons podem ser combinados em um núcleo atômico e qual é o número de prótons. Para o isótopo básico de hidrogênio, que contém apenas um próton, além dos familiares deutérios e núcleos de trítio, também foram observados vários isótopos ricos em nêutrons, variando de ⁴H a ⁷H.

A configuração de três espectrômetros de alta resolução na sala experimental A1 é usada para detectar ⁶H. Crédito da foto: Ryoko Kino, Josef Pochodzalla

Os isótopos de hidrogênio extremamente pesados ​​⁶H (composto por um próton e cinco nêutrons) e ⁷H (mais um nêutron) têm as maiores proporções de nêutrons para prótons conhecidas até o momento. Eles são um sistema único que responde a esta pergunta. No entanto, os dados experimentais sobre estes núcleos exóticos são escassos e os resultados permanecem controversos. Em particular, tem havido controvérsia sobre se a energia do estado fundamental ⁶H é alta ou baixa.

A colaboração A1, trabalhando com cientistas na China e no Japão, desenvolveu um novo método para produzir ⁶H. Neste método, um feixe de elétrons com energia de 855 megaelétron-volts (MeV) atinge um alvo ⁷Li, produzindo ⁶H por meio de um processo de duas etapas: primeiro, os prótons no núcleo de lítio são excitados ressonantemente devido à sua interação com os elétrons e decaem rapidamente em nêutrons e píons carregados positivamente.

Se o nêutron transferir energia para outro próton no núcleo, ele poderá se juntar ao núcleo restante para formar o isótopo de hidrogênio rico em nêutrons ⁶H. Os píons e prótons deixam o núcleo e podem ser detectados simultaneamente com os elétrons espalhados por três espectrômetros magnéticos. Para obter rendimento suficiente para este processo raro, o feixe de elétrons passa através de uma placa de lítio de 45 mm de comprimento e 0,75 mm de espessura ao longo de um dos lados. Isto é muito raro porque os experimentos de espalhamento de elétrons normalmente usam alvos que são muito finos ao longo do eixo do feixe, permitindo que o feixe de elétrons atinja uma ampla superfície perpendicular à sua direção de propagação.

Este dispositivo específico se beneficia da excelente qualidade do feixe do MAMI, especialmente do seu feixe de elétrons altamente focado e estável. Outro desafio é o manuseio do próprio lítio, já que o material é extremamente reativo quimicamente, mecanicamente frágil e sensível à temperatura.

Durante a campanha de medição de quatro semanas, como esperado, foi observado aproximadamente um evento por dia. Em um dos raros experimentos do MAMI, três espectrômetros de alta resolução na sala experimental A1 operam simultaneamente em modo de coincidência, permitindo que três partículas sejam detectadas simultaneamente. Este sofisticado dispositivo atinge uma precisão sem precedentes, mantendo um ruído de fundo extremamente baixo.

As novas medições fornecem um sinal claro para ⁶H, que tem uma energia do estado fundamental extremamente baixa, indicando que a interação entre nêutrons em 6H é mais forte do que o esperado a partir de cálculos teóricos recentes. Este resultado desafia a nossa compreensão das interações multinúcleas em sistemas com abundância de nêutrons extremamente alta.

Compilado de /ScitechDaily