Átomo detectado por cientistas pode ter um trilhão de vezes a idade do universo

Um grupo de pesquisadores na Itália está tentando detectar matéria escura. É uma tarefa difícil, já que a matéria escura não é um dos maiores mistérios da física por acaso. Ela não interage com nada além da gravidade, e apenas sabemos da sua existência inferindo que tem alguma coisa lá durante estas interações.
Até agora, eles não conseguiram detectar matéria escura, mas enquanto eles não encontram seu objetivo principal, outras coisas estão aparecendo pelo caminho, e uma das mais incríveis acaba de ser medida. De acordo com um novo estudo publicado nesta semana na revista Nature, a equipe de mais de 100 pesquisadores mediu uma das interações mais raras já vistas: pela primeira vez, a decadência de um átomo de xenônio-124 em um átomo de telúrio foi vista em laboratório, através de um processo extremamente raro chamado captura de elétrons duplos de dois neutrinos.
“Nós realmente vimos esse decaimento acontecer. É o processo mais longo e mais lento que já foi observado diretamente, e nosso detector de matéria escura era sensível o suficiente para medi-lo. É incrível ter testemunhado esse processo e diz que nosso detector pode medir a coisa mais rara já registrada”, anima-se Ethan Brown, professor assistente de física no Instituto Politécnico Rensselaer, nos EUA, e co-autor do estudo, em entrevista ao portal Phys.
Esse tipo de decaimento radioativo ocorre quando o núcleo de um átomo absorve dois elétrons de sua camada externa de elétrons simultaneamente, liberando uma dose dupla de partículas fantasmas chamadas neutrinos. Medindo este decaimento único em um laboratório pela primeira vez, os pesquisadores foram capazes de provar precisamente quão rara é a reação e quanto tempo leva para o xenônio-124 decair. A meia-vida do xenônio-124 – ou seja, o tempo médio necessário para um grupo de átomos de xenônio-124 diminuir pela metade – é de cerca de 18 sextiliões de anos (1,8 x 10 ^ 22 anos), aproximadamente um trilhão de vezes a idade do universo.
A experiência marca a meia-vida mais longa já medida diretamente em um laboratório. Apenas um processo de decaimento nuclear no universo tem uma meia-vida mais longa: o decaimento do telúrio-128, que tem uma meia-vida mais de 100 vezes maior que a do xenônio-124 – esse evento extremamente raro, entretanto, foi calculado apenas no papel, sendo jamais visto em laboratório.
“Dito de outro modo, se você tivesse 100 átomos de xenônio-124 quando os dinossauros foram extintos, 65 milhões de anos atrás, estatisticamente falando, todos os 100 deles ainda estariam aqui hoje”, compara Christian Wittweg, doutorando da Universidade de Münster, na Alemanha, que trabalhou com a chamada colaboração Xenon por meia década, em entrevista ao Live Science.
Assim como as formas mais comuns de decaimento radioativo, a captura de dois elétrons com dois neutrinos ocorre quando um átomo perde energia à medida que a proporção de prótons e nêutrons no núcleo atômico muda. No entanto, o processo é muito mais exigente do que os modos de decaimento mais comuns e depende de uma série de “coincidências gigantescas”, segundo Wittweg.
Coincidência ou não, uma destas características necessárias faz parte do projeto italiano: um grande tanque de metal cheio de 3,5 toneladas de xenônio líquido puro. Este gás nobre é uma das substâncias mais limpas e à prova de radiação da Terra, tornando-se um alvo ideal para capturar algumas das mais raras interações de partículas do universo.
Ter toneladas de átomos de xenônio para trabalhar fez com que as chances dessas coincidências fossem muito mais prováveis.
Todos os átomos de xenônio-124 são cercados por 54 elétrons, girando em invólucros nebulosos ao redor do núcleo. A captura de dois elétrons com dois neutrinos ocorre quando dois desses elétrons, em camadas próximas ao núcleo, migram simultaneamente para o núcleo, colidindo com um próton cada e convertendo esses prótons em nêutrons. Como subproduto dessa conversão, o núcleo expele dois neutrinos, partículas subatômicas indescritíveis sem carga e praticamente nenhuma massa que quase nunca interagem com nada.
Esses neutrinos voam para o espaço e os cientistas não podem medi-los a menos que usem equipamentos extremamente sensíveis. Para provar que um evento de captura de dois elétrons de dois neutrinos ocorreu, os pesquisadores do projeto Xenon, em vez disso, olharam para os espaços vazios deixados para trás no átomo em decomposição.
“Depois que os elétrons são capturados pelo núcleo, restam duas vagas na camada atômica. Essas vagas estão cheias de conchas mais altas, o que cria uma cascata de elétrons e raios-X”, explica Wittweg.
Esses raios X depositam energia no detector, que os pesquisadores podem ver claramente em seus dados experimentais. Após um ano de observações, a equipe detectou cerca de 100 ocorrências de átomos de xenônio-124 decaindo dessa forma, fornecendo a primeira evidência direta do processo.
Essa nova detecção do segundo processo de decaimento mais raro no universo não coloca a equipe Xenon mais perto de encontrar matéria escura, mas prova a versatilidade do detector. O próximo passo nos experimentos da equipe envolve a construção de um tanque de xenônio ainda maior – capaz de armazenar mais de 8,8 toneladas de líquido – para oferecer ainda mais oportunidades de detectar interações raras.

Créditos: Hypescience