A assimetria no próton confunde os físicos, mas uma nova descoberta pode trazer de volta velhas teorias para explicá-la.
Simetria – exibida em áreas que vão desde matemática e arte, a organismos vivos e galáxias – é uma importante estrutura subjacente na natureza. Caracteriza nosso universo e permite que seja estudado e compreendido.
Como a simetria é um tema tão difundido na natureza, os físicos ficam especialmente intrigados quando um objeto parece que deveria ser simétrico, mas não é. Quando os cientistas são confrontados com essas simetrias rompidas, é como se tivessem encontrado um objeto com um estranho reflexo no espelho.
O próton, uma partícula carregada positivamente que existe no centro de cada átomo, exibe assimetria em sua composição. Físicos do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) e seus colaboradores investigaram recentemente os meandros dessa simetria quebrada conhecida por meio de um experimento conduzido no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi do DOE. Os resultados do experimento podem mudar a pesquisa do próton ao reviver teorias anteriormente descartadas sobre seu funcionamento interno.
O resultado desta experiência contraria a conclusão de um estudo do final dos anos 90, também realizado no Fermilab. Os cientistas agora podem revisitar teorias para descrever a assimetria no próton que foram descartadas pelo antigo experimento.
Compreender as propriedades do próton ajuda os físicos a responder a algumas das questões mais fundamentais em toda a ciência e, investigando o mundo no menor nível, os cientistas estão avançando com a tecnologia que usamos todos os dias. Os estudos do próton levaram ao desenvolvimento da terapia do próton para o tratamento do câncer, medição da radiação do próton durante as viagens espaciais e até mesmo a compreensão da formação de estrelas e do universo inicial.
“Fomos capazes de olhar para a dinâmica intrigante dentro do próton”, disse o físico de Argonne Don Geesaman, “e por meio desse experimento, a natureza está abrindo caminho para que conceitos em modelos mais antigos do próton tenham uma segunda visão.”
Matéria incompatível
Assim como as formas podem ter simetria, as partículas também podem. Um círculo perfeito consiste em dois semicírculos do mesmo tamanho voltados para direções opostas, e cada tipo de partícula no universo tem uma antipartícula da mesma massa com carga elétrica oposta.
Os blocos de construção do próton incluem partículas chamadas quarks e suas antipartículas, chamadas antiquarks. Eles vêm em “sabores”, como up, down, anti-up e anti-down. Quarks e antiquarks são unidos dentro do próton por uma forte força nuclear. A força dessa força pode puxar pares de quarks e antiquarks do nada, e esses pares existem por um curto período antes de se aniquilarem. Este “mar” de quarks e antiquarks surgindo e desaparecendo está sempre presente dentro do próton.
Curiosamente, em qualquer momento, existem três quarks a mais do que antiquarks: dois quarks mais up do que quarks anti-up e um quark mais down do que quarks anti-down. Em outras palavras, esses quarks incompatíveis não têm contrapartes de antimatéria. Essa assimetria é a razão pela qual os prótons têm carga positiva, permitindo que os átomos – e, portanto, toda a matéria – existam.
“Ainda temos uma compreensão incompleta dos quarks em um próton e como eles dão origem às propriedades do próton”, disse Paul Reimer, um físico de Argonne no estudo. “A natureza fugaz dos pares quark-antiquark torna sua presença nos prótons difícil de estudar, mas neste experimento, detectamos a aniquilação dos antiquarques, o que nos deu uma visão sobre a assimetria.”
O experimento determinou que sempre há mais quarks anti-down no próton do que quarks anti-up, independentemente dos momentos dos quarks. O significado desse resultado é sua contradição com a conclusão do experimento do Fermilab no final dos anos 90, que sugeriu que em momentos altos, a assimetria do próton se inverte, significando que os quarks anti-up começam a dominar os quarks anti-down.
“Projetamos o novo experimento para observar esses altos momentos para determinar se essa mudança realmente ocorre”, disse Reimer. “Mostramos que há uma assimetria suave sem variação da proporção entre quarks anti-up e anti-down.”
Reconstruindo a aniquilação
Para sondar os quarks e antiquarks no próton, os cientistas dispararam feixes de prótons contra os alvos e estudaram as consequências das colisões de partículas. Especificamente, eles estudaram o que acontece depois que um próton do feixe atinge um próton no alvo.
Quando os prótons colidem, quarks e antiquarks dos prótons se aniquilam. Então, duas novas partículas fundamentais chamadas múons saem da aniquilação, agindo como a assinatura da interação. A partir dessas interações, os cientistas determinaram a proporção de quarks anti-up para quarks anti-down em uma faixa de altos momentos.
“Escolhemos medir múons porque eles podem atravessar o material melhor do que a maioria dos outros fragmentos de colisão”, disse Reimer. Entre os alvos e seus dispositivos de medição, a equipe colocou uma parede de ferro de cinco metros de espessura para impedir que outras partículas passassem e turvassem seus sinais.
Quando os múons atingiram os dispositivos de medição no final de sua jornada, os cientistas reconstruíram as aniquilações de quark-antiquark a partir das medições, permitindo-lhes confirmar a proporção uniforme e consistente de quarks anti-up para quarks anti-down.
Um segundo olhar
“O que pensamos que vimos no experimento anterior não é o que acontece”, disse Geesaman, que fez parte dos estudos atuais e anteriores. “Por quê? Esse é o próximo passo.”
As teorias que foram rejeitadas depois de contradizerem os resultados do experimento anterior agora fornecem uma ótima descrição dos novos dados, e os cientistas podem revisitá-los com maior confiança por causa desse experimento. Essas teorias servirão de base para experimentos posteriores sobre assimetria no próton e em outras partículas, aumentando nossa compreensão da teoria em torno dos quarks.
Pistas sobre a natureza dos quarks no próton levam, em última análise, a uma melhor compreensão do núcleo atômico. Compreender o núcleo pode desmistificar as propriedades do átomo e como os diferentes elementos químicos reagem uns com os outros. A pesquisa de prótons abrange campos como química, astronomia, cosmologia e biologia, levando a avanços na medicina, ciência dos materiais e muito mais.
“Você precisa experimentar para liderar o pensamento e a teoria da restrição, e aqui, estávamos procurando a natureza para nos dar uma visão sobre a dinâmica do próton”, disse Geesaman. “É um ciclo entrelaçado de experimentos e teorias que leva a pesquisas impactantes.”
Publicado em 25/02/2021 09h50
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