Os cientistas desenvolveram uma teoria inovadora para calcular o que está acontecendo dentro de um próton viajando à velocidade da luz.
Por mais de 2.000 anos, os cientistas pensaram que o átomo era a menor partícula possível. Então, eles descobriram que ele tem um núcleo formado por prótons e nêutrons rodeado por elétrons. Depois disso, eles descobriram que os próprios prótons e nêutrons têm um mundo interno complexo cheio de quarks e antiquarks mantidos juntos por uma força semelhante a uma supercola criada pelos glúons.
“Prótons junto com nêutrons constituem mais de 99 por cento do universo visível, o que significa tudo, desde galáxias e estrelas até nós”, disse Yong Zhao, um físico do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). “No entanto, ainda há muito que não sabemos sobre a rica vida interior dos prótons ou nêutrons.”
Zhao é co-autor de um artigo sobre um método inovador para calcular a estrutura de quark e glúon de um próton viajando à velocidade da luz. O nome da criação da equipe é teoria efetiva de grande momento, LaMET para abreviar, que trabalha em conjunto com uma teoria chamada cromodinâmica quântica de rede (QCD).
O próton é minúsculo – cerca de 100.000 vezes menor do que um átomo, então os físicos costumam modelá-lo como um ponto sem dimensões. Mas essas novas teorias podem prever o que está acontecendo dentro do próton da velocidade da luz como se ele fosse um corpo de três dimensões.
O conceito de momentum é vital não apenas para o LaMET, mas também para a física em geral. É igual à velocidade de um objeto vezes sua massa.
Mais de meio século atrás, Zhao explicou, um modelo simples de quark dos físicos Murray Gell-Mann e George Zweig revelou parte da estrutura interna do próton em repouso (sem momentum). A partir desse modelo, os cientistas imaginaram o próton consistindo em três quarks e previram suas propriedades essenciais, como carga elétrica e spin.
Experimentos posteriores com prótons acelerados para perto da velocidade da luz demonstraram que o próton é ainda mais complexo do que se pensava originalmente. Por exemplo, ele contém inúmeras partículas que interagem umas com as outras – não apenas três quarks ligados por glúons. E os glúons podem se transformar brevemente em pares quark-antiquark antes de se destruírem e se tornarem glúons novamente. Aceleradores de partículas como o do Fermi National Accelerator Laboratory do DOE produziram a maioria desses resultados.
“Quando você acelera o próton e o colide com um alvo, é quando a mágica acontece em termos de revelar seus muitos mistérios”, disse Zhao.
Cerca de cinco anos depois que o modelo de quark simples abalou a comunidade da física, um modelo proposto por Richard Feynman retratou o próton viajando perto da velocidade da luz como um feixe carregando um número infinito de quarks e glúons se movendo na mesma direção. Ele chamou essas partículas de “partons”. Seu modelo de parton inspirou físicos a definir um conjunto de quantidades que descrevem a estrutura de prótons 3D. Os pesquisadores puderam então medir essas quantidades em experimentos em aceleradores de partículas.
Cálculos anteriores com a melhor teoria disponível na época (rede QCD) produziram alguns detalhes esclarecedores sobre a distribuição de quarks e glúons no próton. Mas eles tinham uma deficiência séria: eles não podiam distinguir com precisão entre partons de movimento rápido e lento.
A dificuldade era que a rede QCD só poderia calcular as propriedades do próton que não dependem de seu momento. Mas aplicar o modelo de parton de Feynman à rede QCD requer o conhecimento das propriedades de um próton com momento infinito, o que significa que todas as partículas de próton devem estar viajando à velocidade da luz. Preenchendo parcialmente essa lacuna de conhecimento, o LaMET fornece uma receita para calcular a física do parton do QCD da rede para um momento grande, mas finito.
“Temos desenvolvido e refinado o LaMET nos últimos oito anos”, disse Zhao. “Nosso artigo resume este trabalho.”
Rodando em supercomputadores, os cálculos da rede QCD com o LaMET estão gerando novas e aprimoradas previsões sobre a estrutura do próton da velocidade da luz. Essas previsões podem então ser testadas em uma nova instalação única chamada Colisor de Íons de Elétrons (EIC). Esta instalação está sendo construída no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.
“Nosso LaMET também pode prever informações úteis sobre quantidades que são extraordinariamente difíceis de medir”, disse Zhao. “E com supercomputadores poderosos o suficiente, em alguns casos, nossas previsões podem ser ainda mais precisas do que é possível medir no EIC.”
Com uma compreensão mais profunda da estrutura quark-gluon 3D da matéria usando a teoria e medições EIC, os cientistas estão prontos para chegar a uma imagem muito mais detalhada do próton. Estaremos, então, entrando em uma nova era da física parton.
Esta pesquisa foi publicada na Reviews of Modern Physics em um artigo intitulado “Large-Momentum Effective Theory”. Além de Zhao, os autores incluem Xiangdong Ji (Universidade de Maryland), Yizhuang Liu (Universidade Jagiellonian), Yu-Sheng Liu (Universidade Jiao Tong de Xangai) e Jian-Hui Zhang (Universidade Normal de Pequim).
Publicado em 10/10/2021 20h28
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