A força forte mantém prótons e nêutrons juntos, mas a teoria por trás dela é em grande parte inescrutável. Duas novas abordagens mostram como funciona.
Bilhões de vezes a cada minuto, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) colide prótons, desencadeando um turbilhão de energia que se cristaliza em mais prótons, nêutrons e primos menos familiares das partículas nucleares. Algumas partículas se encontram enquanto fogem da cena. O que acontece a seguir – se um determinado par se junta ou se afasta – os físicos geralmente não sabem dizer.
Os teóricos descobriram como as partículas dentro de prótons e nêutrons agem há mais de 50 anos. Mas essas partículas, conhecidas como quarks, nunca aparecem sozinhas, e a teoria duramente conquistada de sua força – a força forte – falha em prever o comportamento de grupos de quarks, os objetos que realmente compõem nossos corpos e aparecem em colisores de partículas.
“Esta é, se você quiser, a fronteira da física nuclear”, disse Laura Fabbietti, física da Universidade Técnica de Munique, “compreendendo [essas] interações desde os primeiros princípios”.
Após décadas de trabalho, formas poderosas de espionar “hádrons” – partículas feitas de vários quarks – estão finalmente atingindo a maturidade. Os supercomputadores agora podem calcular a força entre certos hádrons digitais. E pesquisadores do LHC são pioneiros em um novo método, conhecido como femtoscopia, que pode detectar diretamente tremores entre hádrons fugazes induzidos pela força forte. A pesquisa está revelando novos aspectos da força mais inescrutável da natureza.
“De repente, podemos testar pela primeira vez a forte interação” entre qualquer par de hádrons, disse Fabbietti, um dos desenvolvedores da femtoscopia.
O Núcleo Enigmático
O núcleo do átomo tem desafiado os físicos desde a década de 1930, quando líderes na área, incluindo Enrico Fermi e Werner Heisenberg, lutaram para conciliar várias observações bizarras. Uma delas era o fato de que o núcleo existia. Pegue o núcleo de hélio, onde dois prótons se aninham a apenas alguns femtômetros (milionésimos de bilionésimo de metro) de distância. A essa distância, as duas cargas positivas devem explodir o núcleo com 20 libras de força. No entanto, os átomos de hélio estáveis são abundantes. O eletromagnetismo controla o átomo, mas o núcleo parece seguir regras diferentes.
Um físico japonês relativamente desconhecido, Hideki Yukawa, encontrou uma peça importante do quebra-cabeça nuclear em 1935.
Se alguma força poderosa estava mantendo o núcleo unido, era estranha. O fóton sem massa carrega a força eletromagnética para longe, mas prótons e nêutrons precisam de contato próximo para se fixar. O principal insight de Yukawa foi que esse curto alcance resulta da partícula da nova força ter uma massa que limita sua mobilidade; ele calculou que deveria ter 200 vezes o peso do elétron. Os físicos descobriram o méson pi ou “pião” em raios cósmicos em 1947, com uma massa apenas um terço maior do que Yukawa havia previsto. Seu Prêmio Nobel veio dois anos depois.
Ele “foi a primeira pessoa que previu a existência de alguma nova partícula”, disse Tetsuo Hatsuda, físico nuclear e diretor de programas do instituto RIKEN no Japão. “Esse foi o nascimento da física de partículas.”
O píon provou ser o primeiro de um dilúvio de novas partículas. Padrões nessa coleção crescente levaram os teóricos a concluir que os quarks vêm em seis variedades e se ligam tão firmemente que sempre existem em grupos. Hoje, os físicos conhecem mais de 300 hádrons únicos.
Os teóricos descobriram como a força forte governa os quarks – uma teoria conhecida como cromodinâmica quântica, ou QCD – na década de 1970. Mas, frustrantemente, ele simplesmente não fornece todas as respostas.
O QCD descreve os quarks como trocando rajadas de “glúons” portadores de força com uma intensidade que cresce com a distância, como a tensão em um elástico. Quando as partículas se chocam, como acontece em um colisor de partículas, os quarks ficam tão próximos que o elástico fica frouxo. Nessas situações, o QCD funciona bem. Mas em circunstâncias normais, o elástico se estende e se engaja, e a matemática da QCD falha. Essa limitação torna o comportamento real dos hádrons um mistério.
“Esta é a única peça [incalculável] no Modelo Padrão da física de partículas elementares”, disse Tetsuo Hyodo, físico da Universidade Metropolitana de Tóquio.
High Jinks de Hádrons
Mesmo sem uma teoria solucionável, duas técnicas estão ajudando cada vez mais os físicos a quebrar a conduta enigmática das partículas.
A primeira é terceirizar o problema para supercomputadores. Os pesquisadores montam um laboratório digital da seguinte forma: dividem o espaço em uma grade e o tempo em uma série de momentos discretos. Eles colam quarks onde as linhas de grade se cruzam e glúons nas ligações entre eles. Eles então calculam o que acontece quadro a quadro de uma maneira que seria impossível para um espaço e tempo suaves.
Em 2007, o grupo de pesquisa de Hatsuda usou essa abordagem de “QCD de treliça” para simular pares de prótons ou nêutrons como nuvens mais realistas de quarks e glúons, em vez de pontos Yukawa. Eles confirmaram que quando os prótons ou nêutrons estão separados por cerca de uma largura de próton, eles realmente se atraem como se estivessem trocando píons. “De certa forma, Yukawa é confirmado com base no QCD”, disse Hatsuda. O grupo também foi além da teoria de Yukawa e provou que a atração se transforma em repulsão quando as partículas se aproximam ainda mais.
Recentemente, a equipe vem provocando encontros virtuais entre um próton ou nêutron (contendo quarks “up” e “down” mais leves) e um hádron “ômega” feito de três quarks “estranhos” mais pesados. Eles descobriram em 2019 que o par de hádrons puxa um ao outro perto e longe. E em 2020, a colaboração calculou que um par de “lambdas” (um quark up, um quark down e um quark mais pesado) atrai fracamente. Esses resultados representam alguns dos primeiros indícios de como os hádrons mais pesados, que tendem a decair rapidamente, afetam uns aos outros.
Em paralelo, os pesquisadores do LHC começaram a aproveitar o experimento ALICE para rastrear hádrons reais. As colisões de prótons produzem uma explosão de hádrons, muitos dos quais decaem em outras partículas. Os pesquisadores do ALICE vasculham esses destroços para encontrar sinais de pares de hádrons desejados. Eles comparam casais de hádrons que se moveram juntos por caminhos semelhantes com aqueles que seguiram em direções diferentes. O objetivo é descobrir sinais de como os hádrons próximos podem atrair ou repelir uns aos outros. A técnica pode detectar espasmos hadrônicos tão pequenos quanto um único femtômetro.
“A beleza é que você pode aplicar essa técnica a hádrons que são muito raros e instáveis”, disse Fabbietti, que lidera o grupo de femtoscopia dentro da colaboração ALICE. “Normalmente não há outras chances de deixar duas partículas conversarem entre si e ver o que elas dizem.”
A colaboração detalhou seu método de femtoscopia na Nature em 2020. Em outubro passado, eles revelaram uma medida de uma interação amplamente desconhecida, entre um próton e um méson phi (que consiste em um quark estranho e seu antiquark). Os experimentalistas normalmente se apoiam em dados teóricos de QCD de rede para interpretar seus dados, mas tão pouco trabalho foi feito em mésons phi que eles tiveram que voltar à teoria de Yukawa de 1935.
“Para proton-phi não havia nada”, disse Emma Chizzali, a estudante de pós-graduação que liderou a análise dos dados.
Prótons e mésons phi que se aproximavam um do outro pareciam atrair, a colaboração ALICE concluiu a partir de cerca de 100.000 pares. No entanto, a atração era apenas um décimo da força entre prótons e nêutrons.
O experimento é “muito emocionante”, disse Hatsuda. Sua equipe está atualmente verificando o resultado com QCD de treliça.
Do LHC às estrelas de nêutrons
Enquanto hádrons contendo quarks estranhos decaem rapidamente no LHC, eles podem existir como residentes de longo prazo de estrelas de nêutrons, onde imensas pressões podem estabilizar variantes de prótons estranhas conhecidas como “hiperons”. Esses hiperons trocariam mésons phi em vez de píons, que alguns teóricos propuseram que poderiam endurecer as estrelas mortas. Mas o resultado de ALICE sugere que as interações estranhas são muito fracas para importar.
“Se houver hiperons dentro das estrelas de nêutrons”, disse Fabbietti, “suas interações podem ser completamente negligenciadas”.
Hyodo espera que o conhecimento abrangente de quais partículas de dois e três quarks se unem possa explicar outro mistério – por que os agrupamentos de quatro ou cinco quarks são tão raros. Os físicos catalogaram centenas de duos e trios de quarks, mas apenas um punhado de tetraquarks e pentaquarks.
Para esse fim, o ALICE está analisando cerca de um bilhão de colisões que ocorreram entre 2016 e 2018. A partir desta primavera, no entanto, uma atualização para o LHC permitirá que eles recebam dados 100 vezes mais rápido. Na próxima década, Fabbietti espera medir a mistura de hádrons mais raros contendo quarks ainda mais pesados.
“Estamos construindo esse quebra-cabeça”, disse ela, “tentando medir todos eles”.
Publicado em 15/02/2022 07h40
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