Entender como um feixe de prótons freia e deposita a maior parte de sua energia ao entrar em contato com um meio aquoso pode ser útil não só para o avanço do conhecimento básico, mas também para estudos e aplicações em áreas tão distintas como a medicina e a astrofísica. Essa é a contribuição principal de um artigo publicado em outubro de 2025 na revista Physical Review Letters, coordenado por pesquisadores do Brasil, com a participação de colegas da Espanha e da Austrália.
O trabalho empregou um novo método para determinar com precisão como os prótons desaceleram e perdem sua energia quando atravessam quatro fases (estados) da água: a líquida, o vapor, o gelo cristalino hexagonal, como o formado na geladeira, na neve e nas geleiras, e o gelo amorfo (um sólido constituído por moléculas de água desorganizadas, produzido em condições especiais em laboratório e no espaço). A conclusão do estudo é de que essas partículas subatômicas com carga elétrica positiva interagem exatamente da mesma forma em duas fases distintas da água.
“Os prótons perdem energia na água líquida e no gelo amorfo de maneira equivalente”, diz o físico Flávio Matias, que faz pós-doutorado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), em São Paulo, autor principal do estudo. O resultado abre a possibilidade de substituir, em experimentos realizados no vácuo, os jatos de água por placas de gelo amorfo, cuja espessura varia muito menos e facilita a realização de estudos. Também pode fornecer dados mais precisos para o aprimoramento de um tipo de tratamento que usa a energia das partículas subatômicas para combater certos tipos de câncer.
Na astronomia, os dados do trabalho podem, ainda, ser de grande valia. Poeira interestelar, cometas e outros corpos celestes gelados contêm grandes quantidades de gelo amorfo, que constantemente é atravessado por raios cósmicos compostos principalmente de prótons. A energia dessas partículas desencadeia reações químicas no gelo que produzem compostos orgânicos relevantes para o estudo da origem da vida. Um cálculo mais preciso de como os prótons freiam no gelo amorfo pode melhorar as simulações dessas reações realizadas pelos astrofísicos.
Um tipo de radioterapia avançada, ainda não empregada no Brasil, a protonterapia utiliza feixes com milhões de prótons, disparados por um acelerador de partículas, para atingir em cheio minúsculos tumores que crescem em órgãos vitais extremamente sensíveis, como o cérebro, a medula óssea e os olhos. Quando desaceleram e param, os prótons transferem sua energia para o meio ou tecido que acabaram de atravessar. Por isso, conhecer em detalhes como esse processo se dá é uma forma de refinar o tratamento e garantir que as partículas depositem sua energia apenas nos tumores, e não em tecidos sadios vizinhos.
A precisão milimétrica desse procedimento, entretanto, ainda tem muito a melhorar, tanto para minimizar os riscos aos pacientes quanto para ampliar sua aplicação a diferentes tipos de tumores. Um dos principais obstáculos é que os físicos ainda não conseguem medir com grande acurácia a capacidade de a água e de outras substâncias do corpo humano frear os prótons até eles pararem. “A incerteza sobre o comportamento dos prótons ao perderem energia ao atravessar o corpo humano é um ponto cego fundamental da protonterapia”, afirma Joel Mesa Hormaza, físico nuclear especializado na área médica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Botucatu, que não participa da equipe que produziu o artigo. “Embora tenha se concentrado na água pura, o estudo estabelece uma base sólida para incorporar, no futuro, a complexidade do corpo humano.”
O trabalho começou quando Matias participava de um projeto do Ipen para medir o efeito de feixes de prótons em phantoms – simuladores de tecidos do corpo humano, feitos de água e acrílico. Ele percebeu que havia grande imprecisão nos dados de laboratório sobre como essas partículas freiam na água. Havia dificuldade de obter o chamado poder de freamento dos prótons nos experimentos, nos quais um feixe dessas partículas atravessa um meio material qualquer, por exemplo, tecidos do corpo humano.
Além do problema experimental, havia também uma dificuldade de cálculo. Em princípio, calcular exatamente o poder de freamento exigiria considerar a interação de um próton com cada elétron das moléculas de água ao longo do caminho. Alguns modelos teóricos já conseguiram simplificar essas interações a ponto de realizar os cálculos em supercomputadores, mas seus resultados não descrevem bem a região próxima ao fim da trajetória do próton, onde ele libera a maior parte de sua energia. Conhecida como pico de Bragg, é essa descarga final de energia que provoca a morte das células cancerígenas na protonterapia, ao induzir quebras duplas na molécula de DNA. Subestimar ou superestimar a energia do pico, assim como errar a sua localização, pode causar danos aos tecidos sadios dos pacientes.
Matias então se uniu ao seu ex-orientador de doutorado, o físico Pedro Luis Grande, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), para desenvolver um novo método de cálculo do poder de freamento de prótons na água e em outros materiais na região do pico de Bragg. Inicialmente, foi gerado um conjunto de resultados teóricos sobre o poder de freamento de prótons em um gás com elétrons livres e diferentes densidades. Essa etapa exigiu meses de processamento em supercomputadores. Por quase um ano, o grupo utilizou parte do poder computacional do cluster Sampa, instalado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) e financiado pela FAPESP.
Com esse banco de dados em mãos, os cálculos de poder de freamento podem ser estendidos a praticamente qualquer material (em diferentes estados e estruturas), desde que se forneça a função de perda de energia. Tal grandeza indica como os elétrons do material respondem às excitações. Essa função pode ser obtida por modelagem teórica ou por técnicas experimentais baseadas em microscopia eletrônica.
Em abril de 2024, em um artigo publicado na Scientific Reports, Matias, Grande e oito colaboradores demonstraram esse método pela primeira vez em polímeros orgânicos, incluindo o acrílico. O passo seguinte foi o trabalho mais recente com as quatro fases da água. Nesse estudo, os parceiros espanhóis das universidades de Múrcia e Alicante, que são especialistas na modelagem de funções de perda de energia, forneceram as descrições eletrônicas necessárias para aplicar o método de forma consistente em diferentes estruturas do mesmo material.
Os estudos sobre como os prótons perdem energia na água pura são apenas o começo de uma série de trabalhos com o método. Os pesquisadores planejam realizar experiências semelhantes em que, no lugar da água, utilizem a molécula do DNA, lipídios, proteínas, ossos e talvez até células inteiras imersos em gelo amorfo. Os experimentos deverão ser realizados pela equipe do colaborador de Matias, o físico Tiago Fiorini da Silva, do Laboratório de Análises de Materiais por Feixes Iônicos do IF-USP.
A reportagem acima foi publicada com o título “Como os prótons param” na edição impressa nº 360 de fevereiro de 2026.
Projeto
Física e instrumentação de altas energias com o LHC-CERN (nº 20/04867-2); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Projetos Especiais; Pesquisador responsável Marcelo Gameiro Munhoz (USP); Investimento R$ 18.566.577,11.
Artigo científico
MATIAS, F. et al. Stopping Cross Sections for Protons Across Different Phases of Water. Physical Review Letters. 1 out. 2025.
MATIAS, F. et al. Efficient computational modeling of electronic stopping power of organic polymers for proton therapy optimization. Scientific Reports. 29 abr. 2024.
