Laser esfria átomo de rádio - E por que isso importa muito

Com informações da UCSB - 22/07/2019

Esta imagem mostra um único átomo de rádio dentro da armadilha, onde ele pode ser resfriado até perto do zero absoluto.
[Imagem: Mingyu Fan]

Resfriamento a laser

É fácil pensar em um laser aquecendo, e até queimando coisas, mas o resfriamento a laser tornou-se uma tecnologia rapidamente estabelecida não apenas para estudos de física fundamental, mas também para resfriar computadores e, quem sabe, até viabilizar geladeiras a laser.

Para conseguir o resfriamento a laser, os cientistas começam com um átomo eletricamente carregado, um íon, preso por campos elétricos. Imagine o átomo quente pulando em uma armadilha de íons de forma parecida com um balanço em um parquinho de diversões. Dê um empurrão no balanço no momento certo e você o enviará mais alto ou, nessa analogia, aquecerá o átomo. Mas um empurrão se opondo ao movimento do balanço, quando ele está vindo em sua direção, na verdade vai atrasá-lo, o que significará esfriar o átomo.

De forma mais técnica, cada estado de energia que um átomo pode assumir tem uma frequência de ressonância associada. É possível forçá-lo a fazer a transição para um estado específico atingindo-o com uma luz laser ajustada nessa frequência específica. O átomo absorverá a luz e fará a transição para o estado desejado. Em seguida, ele cairá para um estado de energia mais baixo, emitindo um fóton, que transportará parte do momento do átomo. Isso literalmente desacelera o átomo, e um átomo mais lento se traduz em um átomo mais frio.

Rádio: um caso especial

Só faltava resfriar o rádio, o elemento alcalino-terroso mais pesado da Tabela Periódica, feito agora realizado por Mingyu Fan e colegas da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

E aquecer e resfriar de forma controlada esse elemento radioativo tem um significado muito especial: ele pode revelar segredos da física além do Modelo Padrão - em outras palavras, dar pistas de uma "nova física".

Isso porque o núcleo do rádio também tem uma forma única, parecido com uma pera, e apenas dois estados nucleares possíveis, ambos separados por uma quantidade de energia muito pequena. Essas características tornam o rádio mais sensível do que outros núcleos à violação da simetria temporal, uma física que não foi observada em nenhum átomo ou molécula. E os físicos têm razões para desconfiar que alguns fenômenos ainda não descobertos - como uma nova partícula ou uma nova forma de interação - podem misturar esses dois estados nucleares.

"Eu vejo isso como tendo potencial para descobertas, assim como para restringir teorias além do Modelo Padrão da física de partículas," disse o professor Andrew Jayich, coordenador da equipe.

• Núcleo de átomo em formato de pera aponta para Nova Física

Os neutrinos são outra esperança no estudo das simetrias da física.
[Imagem: CEA-Saclay/IRFU-SIS]

Simetrias da física

Por muito tempo, os cientistas pensaram que a física era simétrica - que funcionava da mesma forma se você invertesse os valores das cargas ou as orientações de todas as partículas de um sistema. Eles também assumiam que as coisas aconteciam da mesma maneira caminhasse o tempo para trás ou para frente.

Surpreendentemente, experimentos mostraram que essas suposições básicas sobre simetria não são verdadeiras. Apenas as três simetrias - carga, paridade e tempo - juntas parecem sempre se sustentar. Ou seja, todo processo físico que conhecemos permanece o mesmo se você trocar direita por esquerda, positivo por negativo e futuro por passado.

Contudo, os processos identificados até agora que violam a simetria de paridade de carga em partículas fundamentais apresentam efeitos nos quais as violações não são grandes o suficiente para explicar questões mais fundamentais, como por que o universo tem mais matéria do que antimatéria.

"Teorias além do Modelo Padrão geralmente adicionam novas violações de simetria de paridade de carga para explicar esses quebra-cabeças," explicou Mingyu Fan. "As violações de simetria previstas por novos modelos físicos também afetariam os átomos."

Inverter o fluxo do tempo já se tornou trivial nos experimentos.
[Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Amplificador nuclear para uma nova física

E é bem aí que entra o átomo de rádio. Núcleos pesados como os dos átomos de rádio são particularmente suscetíveis a apresentar esses comportamentos. O professor Jayich estima que o rádio aumentará em 1.000 vezes a sensibilidade a violações de simetria em comparação com os melhores sistemas atualmente em uso.

"O rádio é como um amplificador nuclear para novas físicas," disse ele. "Propriedades muito básicas do íon de rádio, como o tempo de vida e as relações de ramificação, coisas que um físico atômico daria como certas, não foram medidas ainda porque ele não havia sido resfriado a laser. Nós precisamos medir as propriedades básicas do íon de rádio para que possamos construir experimentos avançados. Esperamos concluir essas medições fundamentais dentro de um ano."

O resfriamento do rádio a laser também abre a possibilidade de colocar o átomo dentro de moléculas. O grupo planeja sintetizar e estudar o hidróxido de rádio em suas armadilhas de íons, o que é mais complicado do que simplesmente sintetizar um composto em um tubo de ensaio. Isso aumentaria a sensibilidade à nova física por outro fator de 1.000, comparado a um sistema meramente atômico, afirma Jayich.

O tempo dirá se esse amplificador atômico revelará realmente "novas físicas". Mas um ano é certamente uma espera que vale a pena para experimentos que podem revelar caminhos para novas teorias que laboratórios gigantescos, como o LHC, não conseguiram ainda mostrar.

Bibliografia:

Artigo: Laser Cooling of Radium Ions
Autores: M. Fan, C. A. Holliman, A. L. Wang, A. M. Jayich
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 122, 223001
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.223001

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