Vinte anos atrás, os físicos começaram a investigar uma misteriosa assimetria no interior do próton. Seus resultados, publicados hoje, mostram como a antimatéria ajuda a estabilizar o núcleo de cada átomo.
Muitas vezes não é mencionado que os prótons, as partículas de matéria carregadas positivamente no centro dos átomos, são parte da antimatéria.
Aprendemos na escola que um próton é um feixe de três partículas elementares chamadas quarks – dois quarks “up” e um quark “down”, cujas cargas elétricas (+2/3 e ?1/3, respectivamente) se combinam para dar o próton sua carga de +1. Mas essa imagem simplista encobre uma história muito mais estranha, ainda não resolvida.
Na realidade, o interior do próton gira com um número flutuante de seis tipos de quarks, suas contrapartes de antimatéria de carga oposta (antiquarks) e partículas de “glúon” que unem os outros, se transformam neles e se multiplicam prontamente. De alguma forma, o turbilhão turbulento acaba perfeitamente estável e superficialmente simples – imitando, em certos aspectos, um trio de quarks. “Como tudo funciona, francamente é um milagre”, disse Donald Geesaman, físico nuclear do Argonne National Laboratory, em Illinois.
Trinta anos atrás, os pesquisadores descobriram uma característica marcante desse “mar de prótons”. Os teóricos esperavam que contivesse uma distribuição uniforme de diferentes tipos de antimatéria; em vez disso, os antiquarks baixos pareciam exceder significativamente os antiquarks. Então, uma década depois, outro grupo viu indícios de variações intrigantes na proporção de antiquark down-to-up. Mas os resultados estavam no limite da sensibilidade do experimento.
Então, 20 anos atrás, Geesaman e um colega, Paul Reimer, embarcaram em um novo experimento para investigar. Esse experimento, chamado SeaQuest, finalmente foi concluído, e os pesquisadores relatam suas descobertas hoje na revista Nature. Eles mediram a antimatéria interna do próton com mais detalhes do que nunca, descobrindo que existem, em média, 1,4 antiquarks down para cada antiquark up.
Os dados favorecem imediatamente dois modelos teóricos do mar de prótons. “Esta é a primeira evidência real que apóia esses modelos que surgiram”, disse Reimer.
Um é o modelo de “nuvem píon”, uma abordagem popular de décadas atrás que enfatiza a tendência do próton de emitir e reabsorver partículas chamadas píons, que pertencem a um grupo de partículas conhecidas como mésons. O outro modelo, o chamado modelo estatístico, trata o próton como um recipiente cheio de gás.
Experimentos futuros planejados ajudarão os pesquisadores a escolher entre as duas imagens. Mas seja qual for o modelo certo, os dados concretos do SeaQuest sobre a antimatéria interna do próton serão imediatamente úteis, especialmente para físicos que esmagam prótons juntos quase na velocidade da luz no Grande Colisor de Hádrons da Europa. Quando eles sabem exatamente o que está nos objetos em colisão, eles podem separar melhor os detritos da colisão em busca de evidências de novas partículas ou efeitos. Juan Rojo, da VU University Amsterdam, que ajuda a analisar os dados do LHC, disse que a medição SeaQuest “poderia ter um grande impacto” na busca por uma nova física, que atualmente é “limitada pelo nosso conhecimento da estrutura do próton, em particular de seu conteúdo de antimatéria . ”
Three’s Company
Por um breve período, cerca de meio século atrás, os físicos pensaram que tinham o próton classificado.
Em 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente o que ficou conhecido como modelo de quark – a ideia de que prótons, nêutrons e partículas mais raras relacionadas são feixes de três quarks (como Gell-Mann os apelidou), enquanto píons e outros mésons são feito de um quark e um antiquark. O esquema dava sentido à cacofonia de partículas pulverizadas de aceleradores de partículas de alta energia, uma vez que seu espectro de cargas poderia ser construído a partir de combos de duas ou três partes. Então, por volta de 1970, os pesquisadores do acelerador SLAC de Stanford pareceram confirmar triunfantemente o modelo de quark quando atiraram elétrons em alta velocidade contra os prótons e viram os elétrons ricochetear em objetos internos.
Mas a imagem logo ficou mais turva. “Conforme começamos a tentar medir as propriedades desses três quarks mais e mais, descobrimos que havia algumas coisas adicionais acontecendo”, disse Chuck Brown, um membro de 80 anos da equipe SeaQuest do Laboratório Fermi National Accelerator que trabalhou em experimentos de quark desde os anos 1970.
O escrutínio do momento dos três quarks indicou que suas massas representavam uma fração menor da massa total do próton. Além disso, quando o SLAC disparou elétrons mais rápidos contra os prótons, os pesquisadores viram os elétrons pingando de mais coisas dentro. Quanto mais rápidos são os elétrons, mais curtos são seus comprimentos de onda, o que os torna sensíveis a características mais granulares do próton, como se tivessem aumentado a resolução de um microscópio. Mais e mais partículas internas foram reveladas, aparentemente sem limites. Não há resolução mais alta “que conheçamos”, disse Geesaman.
Os resultados começaram a fazer mais sentido à medida que os físicos elaboraram a verdadeira teoria de que o modelo de quark apenas se aproxima: cromodinâmica quântica ou QCD. Formulado em 1973, o QCD descreve a “força forte”, a força mais forte da natureza, na qual partículas chamadas glúons conectam feixes de quarks.
QCD prevê o próprio redemoinho que os experimentos de espalhamento observaram. As complicações surgem porque os glúons sentem a própria força que carregam. (Eles diferem dessa forma dos fótons, que carregam a força eletromagnética mais simples.) Esse autocontrole cria um atoleiro dentro do próton, dando aos glúons rédea solta para surgir, proliferar e se dividir em pares quark-antiquark de vida curta. De longe, esses quarks e antiquarks com cargas opostas e espaçadas se cancelam e passam despercebidos. (Apenas três quarks de “valência” desequilibrados – dois ups e um down – contribuem para a carga geral do próton.) Mas os físicos perceberam que, quando disparavam elétrons mais rápidos, estavam atingindo os alvos pequenos.
No entanto, as esquisitices continuaram.
Os glúons autônomos tornam as equações QCD geralmente insolúveis, então os físicos não podiam – e ainda não podem – calcular as previsões precisas da teoria. Mas eles não tinham nenhuma razão para pensar que os glúons deveriam se dividir com mais freqüência em um tipo de par quark-antiquark – o tipo down – do que o outro. “Esperaríamos que quantidades iguais de ambos fossem produzidas”, disse Mary Alberg, uma teórica nuclear da Universidade de Seattle, explicando o raciocínio na época.
Daí o choque quando, em 1991, a New Muon Collaboration em Genebra espalhou múons, os irmãos mais pesados dos elétrons, fora dos prótons e duterons (consistindo em um próton e um nêutron), comparou os resultados e inferiu que mais antiquarks down do que up antiquarks pareciam espirrar no mar de prótons.
Partes de Prótons
Os teóricos logo surgiram com uma série de maneiras possíveis de explicar a assimetria do próton.
Um envolve o píon. Desde a década de 1940, os físicos têm visto prótons e nêutrons passando píons de um lado para outro dentro de núcleos atômicos como companheiros de equipe jogando bolas de basquete uns para os outros, uma atividade que ajuda a ligá-los. Ao meditar sobre o próton, os pesquisadores perceberam que ele também pode lançar uma bola de basquete para si mesmo – ou seja, pode emitir e reabsorver brevemente um píon carregado positivamente, transformando-se em nêutron nesse ínterim. “Se você está fazendo um experimento e pensa que está olhando para um próton, está se enganando, porque parte do tempo esse próton vai flutuar até o par nêutron-pion”, disse Alberg.
Especificamente, o próton se transforma em um nêutron e um píon feito de um quark up e um antiquark down. Como este píon fantasmagórico tem um antiquarque descido (um píon contendo um antiquarque ascendente não pode se materializar tão facilmente), teóricos como Alberg, Gerald Miller e Tony Thomas argumentaram que a ideia da nuvem píon explica o excedente medido do antiquarque descendente do próton.
Vários outros argumentos surgiram também. Claude Bourrely e colaboradores na França desenvolveram o modelo estatístico, que trata as partículas internas do próton como se fossem moléculas de gás em uma sala, girando em uma distribuição de velocidades que dependem de possuírem quantidades inteiras ou meio inteiras de momento angular . Quando ajustado para ajustar os dados de vários experimentos de espalhamento, o modelo adivinhou um excesso de antiquark baixo.
Os modelos não fizeram previsões idênticas. Grande parte da massa total do próton vem da energia de partículas individuais que explodem para dentro e para fora do mar de prótons, e essas partículas carregam uma gama de energias. Os modelos fizeram previsões diferentes sobre como a proporção de antiquarks para cima e para baixo deve mudar à medida que você conta os antiquarks que carregam mais energia. Os físicos medem uma quantidade relacionada chamada fração de momento do antiquarque.
Quando o experimento “NuSea” no Fermilab mediu a proporção down-to-up em função do momentum do antiquark em 1999, sua resposta “iluminou todo mundo”, lembra Alberg. Os dados sugeriram que entre os antiquarks com amplo ímpeto – tanto, na verdade, que eles estavam bem no final do alcance de detecção do aparelho – os antiquarks subitamente tornaram-se mais prevalentes do que os downs. “Todos os teóricos estavam dizendo: ‘Espere um minuto'”, disse Alberg. “Por que, quando esses antiquarks ganham uma fatia maior do momentum, essa curva deve começar a virar?”
Enquanto os teóricos coçavam a cabeça, Geesaman e Reimer, que trabalharam em NuSea e sabiam que os dados na borda às vezes não são confiáveis, começaram a construir um experimento que pudesse explorar confortavelmente uma gama maior de momentum do antiquark. Eles o chamaram de SeaQuest.
Lixo gerado
Com muitas perguntas sobre o próton, mas com pouco dinheiro, eles começaram a montar o experimento com peças usadas. “Nosso lema era: reduzir, reutilizar, reciclar”, disse Reimer.
Eles adquiriram alguns cintiladores antigos de um laboratório em Hamburgo, detectores de partículas remanescentes do Laboratório Nacional de Los Alamos e placas de ferro bloqueadoras de radiação usadas pela primeira vez em um ciclotron na Universidade de Columbia na década de 1950. Eles poderiam reaproveitar o ímã do tamanho de uma sala da NuSea e executar seu novo experimento com o acelerador de prótons existente do Fermilab. A montagem de Frankenstein teve seus encantos. O sinal sonoro indicando quando os prótons estavam fluindo para o aparelho datava de cinco décadas atrás, disse Brown, que ajudou a encontrar todas as peças. “Quando ele apita, dá uma sensação de calor em sua barriga.”
Gradualmente, eles começaram a funcionar. No experimento, os prótons atingem dois alvos: um frasco de hidrogênio, que é essencialmente prótons, e um frasco de deutério – átomos com um próton e um nêutron no núcleo.
Quando um próton atinge um dos alvos, um de seus quarks de valência às vezes se aniquila com um dos antiquarks do próton ou nêutron alvo. “Quando ocorre a aniquilação, ela tem uma assinatura única”, disse Reimer, produzindo um múon e um antimuon. Essas partículas, junto com outro “lixo” produzido na colisão, então encontram aquelas velhas placas de ferro. “Os múons podem passar; tudo o resto pára “, disse ele. Ao detectar os múons do outro lado e reconstruir seus caminhos e velocidades originais, “você pode trabalhar para trás para descobrir que fração de impulso os antiquarks carregam”.
Como prótons e nêutrons se espelham – cada um tem partículas do tipo up no lugar das partículas do tipo down do outro e vice-versa – comparar os dados dos dois frascos indica diretamente a proporção de antiquarks down para antiquarks up no próton – diretamente , ou seja, após 20 anos de trabalho.
Em 2019, Alberg e Miller calcularam o que o SeaQuest deveria observar com base na ideia da nuvem pion. Sua previsão corresponde bem aos novos dados do SeaQuest.
Os novos dados – que mostram um aumento gradual, em seguida, um platô, proporção down-to-up, não uma reversão repentina – também concorda com Bourrely e o modelo estatístico mais flexível da empresa. No entanto, Miller chama esse modelo rival de “descritivo, em vez de preditivo”, uma vez que é ajustado para dados em vez de identificar um mecanismo físico por trás do excesso de antiquark down. Por outro lado, “o que realmente me deixa orgulhoso em nosso cálculo é que foi uma previsão verdadeira”, disse Alberg. “Não marcamos nenhum parâmetro.”
Em um e-mail, Bourrely argumentou que “o modelo estatístico é mais poderoso do que o de Alberg e Miller”, uma vez que é responsável por experimentos de espalhamento em que as partículas são e não polarizadas. Miller discordou veementemente, observando que as nuvens de píons explicam não apenas o conteúdo de antimatéria do próton, mas vários momentos magnéticos das partículas, distribuições de carga e tempos de decaimento, bem como a “ligação e, portanto, existência de todos os núcleos”. Ele acrescentou que o mecanismo píon é “importante no sentido amplo de por que existem núcleos, por que existimos”.
Na busca final para entender o próton, o fator decisivo pode ser seu spin, ou momento angular intrínseco. Um experimento de espalhamento de múon no final dos anos 1980 mostrou que os spins dos três quarks de valência do próton respondem por não mais do que 30% do spin total do próton. A “crise do spin do próton” é: O que contribui com os outros 70%? Mais uma vez, disse Brown, o veterano do Fermilab, “algo mais deve estar acontecendo”.
No Fermilab e, eventualmente, no planejado Colisor Eletron-Íon do Laboratório Nacional de Brookhaven, os experimentadores irão sondar o spin do mar de prótons. Alberg e Miller já estão trabalhando nos cálculos da “nuvem de meson” completa em torno dos prótons, que inclui, junto com os píons, “mesons rho” mais raros. Píons não possuem spin, mas mésons rho sim, então eles devem contribuir para o spin geral do próton de uma forma que Alberg e Miller esperam determinar.
O experimento SpinQuest do Fermilab, envolvendo muitas das mesmas pessoas e peças do SeaQuest, está “quase pronto para começar”, disse Brown. “Com sorte, vamos coletar dados nesta primavera; vai depender “- pelo menos, em parte -” do progresso da vacina contra o vírus. É meio engraçado que uma pergunta tão profunda e obscura dentro do núcleo dependa da resposta desse país ao vírus COVID. Estamos todos interconectados, não estamos? “
Publicado em 25/02/2021 00h44
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