Dentro de cada próton ou nêutron, existem três quarks ligados por glúons. Até agora, costumava-se presumir que dois deles formavam um par “estável” conhecido como diquark. Parece, porém, que é o fim do caminho para os diquarks da física. Essa é uma das conclusões do novo modelo de colisões próton-próton ou próton-núcleo, que leva em consideração as interações dos glúons com o mar de quarks e antiquarks virtuais.
Na física, o surgimento de um novo modelo teórico geralmente é um mau presságio para conceitos antigos. Este também é o caso da descrição de colisões de prótons com prótons ou núcleos atômicos, proposta por cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. No modelo mais recente, um papel significativo é desempenhado pelas interações de glúons emitidos por um próton com o mar de quarks e antiquarks virtuais, aparecendo e desaparecendo dentro de outro próton ou nêutron.
Os glúons são portadores da força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Isso liga os quarks em estruturas compostas, como prótons ou nêutrons. Em muitos aspectos, a força forte difere das outras. Por exemplo, não enfraquece, mas cresce com a distância entre as partículas. Além disso, ao contrário dos fótons, os glúons carregam um tipo específico de carga (pitorescamente conhecido como cor) e podem interagir uns com os outros.
A maioria das reações nucleares – incluindo a maior parte das colisões de prótons com prótons ou núcleos atômicos – são processos em que as partículas apenas “tocam” umas nas outras por meio da troca de glúons. Colisões desse tipo são chamadas de “suaves” pelos físicos e lhes causam problemas, já que a teoria que as descreve é incalculável desde os primeiros princípios. Assim, por necessidade, todos os modelos atuais de processos leves são mais ou menos fenomenológicos.
“No início, queríamos apenas ver como a ferramenta existente, conhecida como o modelo de párton duplo, lida com dados experimentais mais precisos sobre colisões próton-próton e próton-carbono no núcleo”, lembra o Prof. Marek Jezabek (IFJ PAN). “Rapidamente descobrimos que não estava a correr bem. Por isso decidimos, com base no modelo antigo que está a ser desenvolvido há mais de quatro décadas, tentar criar algo que fosse por um lado mais preciso, e por outro – mais perto da natureza dos fenômenos descritos. ”
O modelo de troca de glúons (GEM) construído no IFJ PAN também é fenomenológico. No entanto, não se baseia em analogias com outros fenômenos físicos, mas diretamente na existência de quarks e glúons e suas propriedades fundamentais. Além disso, o GEM leva em consideração a existência em prótons e nêutrons não apenas de tripletos dos quarks principais (valência), mas também do mar de pares de quarks e antiquarks virtuais que surgem e aniquilam constantemente. Além disso, leva em consideração as limitações resultantes do princípio da conservação do número de bárions. Em termos simplificados, ele diz que o número de bárions (ou seja, prótons e nêutrons) existentes antes e depois da interação deve permanecer inalterado. Como cada quark carrega seu próprio número de bárions (igual a 1/3), esse princípio fornece conclusões mais confiáveis sobre o que está acontecendo com os quarks e os glúons trocados entre eles.
“GEM nos permitiu explorar novos cenários do curso de eventos envolvendo prótons e nêutrons”, diz Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN). “Vamos imaginar, por exemplo, que no curso de uma colisão próton-próton suave, um dos prótons emite um glúon, que atinge o outro próton – não seu quark de valência, mas um quark do mar virtual que existe por uma fração de um momento. Quando tal glúon é absorvido, o quark do mar e o antiquark que formam um par deixam de ser virtuais e se materializam em outras partículas em estados finais específicos. Observe que, neste cenário, novas partículas são formadas, apesar do fato de os quarks de valência de um dos prótons permaneceu intocado. ”
O modelo de glúon da Cracóvia leva a percepções interessantes, duas das quais são particularmente dignas de nota. O primeiro diz respeito à origem dos prótons difrativos, observada em colisões próton-próton. Esses são prótons rápidos que saem do local da colisão em pequenos ângulos. Até agora, acreditava-se que eles não podiam ser produzidos por processos de mudança de cor e que algum outro mecanismo físico era responsável por sua produção. Agora, verifica-se que a presença de prótons difrativos pode ser explicada pela interação do glúon emitido por um próton com os quarks do mar de outro próton.
Outra observação também é interessante. A descrição anterior de colisões suaves presumia que dois dos três quarks de valência de um próton ou de um nêutron estão ligados entre si para formar uma “molécula” chamada diquark. A existência do diquark era uma hipótese que nem todos os físicos atestariam indiscriminadamente, mas o conceito foi amplamente utilizado – algo que agora provavelmente mudará. O modelo GEM foi confrontado com dados experimentais que descrevem uma situação em que um próton colide com um núcleo de carbono e interage com dois ou mais prótons / nêutrons ao longo do caminho. Descobriu-se que, para ser consistente com as medições, no novo modelo, a desintegração do diquark deve ser assumida em pelo menos metade dos casos.
“Assim, há muitas indicações de que o diquark em um próton ou nêutron não é um objeto fortemente ligado. Pode ser que o diquark exista apenas efetivamente como uma configuração aleatória de dois quarks formando um chamado antitripleto de cor – e sempre que pode , ele se desintegra imediatamente “, diz o Dr. Rybicki.
O modelo de troca de glúons da Cracóvia explica uma classe mais ampla de fenômenos de uma forma mais simples e coerente do que as ferramentas existentes para a descrição de colisões leves. Os resultados atuais, apresentados em um artigo publicado na Physics Letters B, têm implicações interessantes para os fenômenos de aniquilação matéria-antimatéria, nos quais um antipróton poderia se aniquilar em mais de um próton / nêutron no núcleo atômico. Portanto, os autores já formularam, em primeiro lugar, propostas preliminares para realizar novas medições no CERN com um feixe de antiprótons.
Publicado em 14/06/2021 02h49
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