Como é o interior de um átomo de carbono? Um estudo recente do Jülich Research Center, da Michigan State University e da University of Bonn fornece a primeira resposta abrangente a esta questão. Um estudo inovador revelou a estrutura interna do núcleo de carbono, destacando a importância do estado de Hoyle e fornecendo novos conhecimentos sobre a disposição das partículas nucleares. Esta pesquisa abre caminho para novas descobertas em física nuclear.
Neste estudo, os pesquisadores simularam todos os estados de energia conhecidos do núcleo atômico. Isso inclui o desconcertante status de Hoyle. Se o estado de Hoyle não existisse, o carbono e o oxigênio teriam presença mínima no universo. Portanto, também devemos nossa existência a isso. A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.
Composição e dinâmica dos núcleos atômicos
O núcleo de um átomo de carbono geralmente consiste em seis prótons e seis nêutrons. Mas como exatamente eles estão organizados? Quando os núcleos atômicos são bombardeados com radiação de alta energia, como suas configurações mudam? A comunidade científica vem buscando respostas para essas questões há décadas. Especialmente porque poderiam fornecer uma resposta a um mistério que há muito intriga os físicos: por que existem tantos átomos de carbono no espaço – sem os quais não haveria vida na Terra? Afinal, logo após o Big Bang, só existiam hidrogênio e hélio. O núcleo de hidrogênio consiste em um próton e o núcleo de hélio consiste em dois prótons e dois nêutrons. Todos os elementos mais pesados foram criados bilhões de anos depois pelo envelhecimento das estrelas. Nessas estrelas, os núcleos de hélio se fundem em núcleos de carbono sob tremenda pressão e temperaturas extremamente altas. Isso requer três núcleos de hélio para se fundirem.
Ulf Meißner, do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bonn e do Instituto de Simulação Avançada de Forschungszentrum Jülich, explicou: "Mas, na verdade, é improvável que isso aconteça. Por quê? A energia dos núcleos de hélio é muito maior do que a dos núcleos de carbono."
No entanto, isso não significa que sejam particularmente fáceis de misturar, muito pelo contrário: é como se três pessoas tentassem saltar num carrossel. Mas como correm muito mais rápido que um carrossel, é difícil ter sucesso.
Estado de Hoyle: chave para a formação de carbono
Portanto, já na década de 1950, o astrônomo britânico Fred Hoyle especulou que três núcleos de hélio se uniram pela primeira vez para formar um estado de transição. Este "estado de Hoyle" é muito semelhante à energia de um núcleo de hélio. É como um carrossel que gira mais rápido para que três passageiros possam embarcar facilmente. Quando isso acontece, o carrossel desacelera até a velocidade normal.
"Somente contornando o estado de Hoyle as estrelas podem criar quantidades apreciáveis de carbono", disse Meissner, membro da área de pesquisa interdisciplinar "Modelagem" e "Matéria" da Universidade de Bonn.
Tecnologia de simulação avançada
Há cerca de dez anos, juntamente com colegas dos Estados Unidos, Forschungszentrum Jülich e Ruhr-Universität Bochum, ele simulou com sucesso o estado de Hoyle pela primeira vez.
“Naquela época já sabíamos como os prótons e nêutrons do núcleo de carbono estavam dispostos nesse estado. Porém, não podíamos provar com certeza que essa hipótese estava correta”, explica.
Com a ajuda de um método avançado, os pesquisadores conseguiram agora. Isto se baseia principalmente em restrições: na realidade, prótons e nêutrons – núcleons – podem estar localizados em qualquer lugar do espaço. No entanto, para realizar os seus cálculos, a equipa de investigação restringiu este grau de liberdade: “Organizámos as partículas nucleares nos nós de uma rede tridimensional”, explica Meißner. "Portanto, só permitimos que eles estejam em determinadas posições estritamente definidas. É justamente por causa dessa restrição que é possível calcular o movimento dos núcleons. Essa tarefa é muito complicada porque a interação entre as partículas nucleares difere dependendo da distância."
Os pesquisadores também realizaram milhões de simulações com condições iniciais ligeiramente diferentes. Isto permitiu-lhes ver onde os prótons e nêutrons tinham maior probabilidade de aparecer.
“Realizamos cálculos para todos os estados de energia conhecidos do núcleo de carbono”, diz Meißner. Os cálculos foram realizados no supercomputador JEWELS do Jülich Research Center. No total, os cálculos exigiram cerca de 5 milhões de horas de processador, com milhares de processadores trabalhando simultaneamente.
revelar a estrutura do núcleo atômico
Esses resultados fornecem efetivamente uma imagem do núcleo de carbono. Eles provam que as partículas nucleares não existem de forma independente. “Em vez disso, eles se agrupam em grupos de dois nêutrons e dois prótons”, explica o físico. Isto significa que três núcleos de hélio ainda podem ser detectados após terem se fundido para formar um núcleo de carbono. Dependendo do estado de energia, eles existem em diferentes formas espaciais - dispostos em um triângulo isósceles ou como um braço ligeiramente dobrado, com um núcleo no ombro, no cotovelo e no pulso. "
Este estudo não só dá aos pesquisadores uma melhor compreensão da física dos núcleos de carbono. “O método que desenvolvemos pode ser facilmente usado para simular outros núcleos atômicos e certamente levará a insights completamente novos”, disse Meissner.
Referências Shen Shihang, Serdar Elhatisari, Timo A. Lähde, Dean Lee, Bing-Nan Lu e Ulf-G. Meißner, "Geometrias emergentes e dualidades em núcleos de carbono", 15 de maio de 2023, Nature Communications. Meißner, 15 de maio de 2023, Nature Communications.
DOI:10.1038/s41467-023-38391-y
Fonte compilada: ScitechDaily