Os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos são formados por um trio de partículas fundamentais ainda menores conhecidas como quarks.
Um novo estudo mapeou com detalhes sem precedentes a distribuição dos diferentes tipos de quark dentro de um próton, expandindo nossa compreensão dessa parte tão importante de um átomo.
Embora a paisagem quântica dentro dos prótons seja uma confusão fervilhante de quarks e seus antiquarks opostos aparecendo e desaparecendo, há um domínio geral de dois ‘sabores’ sobre os outros; dois quarks up-flavor e um único quark down-flavor.
Liderada pelo físico teórico Shohini Bhattacharya do Brookhaven National Laboratory, uma equipe de pesquisadores criou o mapa de maior resolução até agora dos dois tipos de quark.
“Nossos cálculos mostram que o quark up é mais simetricamente distribuído e espalhado por uma distância menor do que o quark down”, diz o físico teórico Swagato Mukherjee, do Brookhaven Lab.
As descobertas dos pesquisadores sugerem que os quarks up e down afetam o próton de maneira diferente em termos de energia interna, spin e várias outras propriedades. Isso, por sua vez, deve ajudar na análise de futuros experimentos de física fundamental.
Você pode pensar nisso como um estudo de um saco de bolinhas de gude: o saco é o próton e os quarks são as bolinhas mantidas frouxamente no lugar por partículas de ‘glúon’ mediadoras de força. A pesquisa mapeou as interações dessas bolinhas entre si.
Uma variedade de técnicas analíticas avançadas foi usada para refletir a luz espalhada nas partículas e calcular suas mudanças no momento. Anteriormente, esses cálculos presumiam que as mudanças no momento seriam iguais, mas os cálculos da equipe confirmaram o contrário.
Isso lhes permitiu medir mais eventos de dispersão com maior precisão sem aumentar o poder de computação. Eles então aplicaram suas descobertas mais precisas a modelos para obter mais informações.
“Para obter um mapa detalhado, precisamos analisar muitas interações de espalhamento, envolvendo vários valores de mudança de momento do próton”, diz Bhattacharya.
Incrivelmente, as reações dos quarks up e down foram responsáveis por menos de 70% do giro do próton (a bolsa). Isso sugere que os glúons estão desempenhando um papel maior do que se supunha anteriormente.
Uma das principais técnicas utilizadas foi a cromodinâmica quântica de rede (QCD), que coloca quarks em uma estrutura 4D para modelá-los com precisão com uma pequena ajuda de um supercomputador. Todas as interações possíveis são avaliadas e, em seguida, as várias probabilidades de cada uma são trabalhadas.
Por fim, a equipe conseguiu mapear esse saco de bolinhas em uma resolução cerca de 10 vezes maior do que os esforços anteriores. Quando se trata de um trabalho de física fundamental como este, essa resolução mais alta pode fazer uma enorme diferença.
Os cientistas ainda estão aprendendo mais sobre quarks e como essas partículas fundamentais estabelecem as bases para muito do que vemos no Universo.
Outros experimentos usando os novos cálculos como base já estão planejados para o Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) e o Electron-Ion Collider (EIC) – experimentos que analisarão as leis fundamentais da natureza e da própria matéria. Esses experimentos devem ajudar a validar os modelos produzidos por este estudo.
“Essas duas coisas complementares – a teoria e o experimento – precisam ser combinadas para obter a imagem completa do próton”, diz o físico Joshua Miller, da Temple University.
Publicado em 14/08/2023 21h19
Artigo original:
- https://www.sciencealert.com/strange-landscape-of-particles-inside-a-proton-mapped-like-never-before
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