Cientistas medem em laboratório captura de próton que forma selênio-74 e expõem lacunas em modelos de supernovas

Uma equipe internacional de mais de 45 cientistas de instituições dos Estados Unidos, do Canadá e da Europa conseguiu medir diretamente, pela primeira vez, a reação na qual o isótopo radioativo arsênio-73 captura um próton e se transforma em selênio-74.

Essa medição representa avanço fundamental para compreender a origem dos p-núcleos — isótopos mais pesados que o ferro e ricos em prótons que não podem ser gerados pelos processos convencionais de captura de nêutrons.

O experimento foi realizado no Facility for Rare Isotope Beams da Michigan State University e detalhado em comunicado oficial divulgado no ScienceDaily.

Os resultados cortam pela metade a incerteza sobre a abundância prevista de selênio-74 no universo. Mesmo assim, os modelos astrofísicos atualizados com esses dados ainda não reproduzem com exatidão as quantidades observadas no sistema solar.

Essa discrepância indica que parâmetros como temperaturas, densidades e fluxos de radiação gama nas supernovas podem estar subestimados ou incorretamente modelados nas teorias atuais.

Para realizar a medição, os pesquisadores geraram um feixe de arsênio-73 por meio do acelerador ReA do FRIB, operado de forma independente do acelerador linear principal. O feixe foi direcionado para uma câmara contendo hidrogênio, que serviu como alvo de prótons.

Ao capturar o próton, o arsênio-73 formou selênio-74 em estado excitado, que então emitiu um fóton de raios gama ao retornar ao estado fundamental. A medição direta dessa reação permitiu também avaliar, de forma indireta, o processo inverso — no qual o selênio-74 seria destruído por raios gama em ambientes de alta energia, como os encontrados durante explosões estelares.

Os p-núcleos intrigam os cientistas há décadas precisamente porque escapam aos mecanismos tradicionais de nucleossíntese. Medições diretas com isótopos radioativos eram praticamente inexistentes até agora, o que forçava os modelos a dependerem quase exclusivamente de cálculos teóricos.

A nova abordagem experimental muda esse panorama ao fornecer dado concreto sobre a taxa de reação que ocorre em condições extremas semelhantes às de supernovas.

A pesquisa foi liderada por Artemis Tsantiri, que à época atuava como doutoranda no FRIB e hoje é pós-doutora na University of Regina, sob orientação da professora Artemis Spyrou.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters com o título «Constraining the Synthesis of the Lightest p Nucleus Se-74». O trabalho recebeu apoio do Department of Energy Office of Science Office of Nuclear Physics dos Estados Unidos, da National Science Foundation, da National Nuclear Security Administration e do Conselho Canadense de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia.

A inclusão desses resultados nos modelos de nucleossíntese já produziu impacto mensurável ao reduzir significativamente a margem de erro nas previsões de abundância do selênio-74. No entanto, a persistente diferença em relação às observações solares sugere que outros fatores físicos nas supernovas ainda precisam ser melhor compreendidos.

Isso pode envolver ajustes nas simulações de densidade de partículas ou na intensidade de campos de radiação que influenciam tanto a produção quanto a destruição desses núcleos.

Instalações como o FRIB demonstram capacidade única para estudar isótopos raros e radioativos que seriam impossíveis de manipular em laboratórios convencionais. Os dados experimentais obtidos permitem refinar as teorias sobre como elementos raros se acumulam no universo e contribuem para a composição química de sistemas estelares como o nosso.

Medições futuras de reações semelhantes prometem trazer ainda mais precisão aos cálculos de nucleossíntese e ajudar a resolver discrepâncias remanescentes entre teoria e observação astronômica.