Todos os núcleos atômicos conhecidos e, portanto, quase toda a matéria visível consiste em prótons e nêutrons, mas muitas das propriedades desses blocos de construção naturais onipresentes permanecem desconhecidas. Como uma partícula sem carga, o nêutron em particular resiste a muitos tipos de medição e 90 anos após sua descoberta ainda existem muitas perguntas sem resposta sobre seu tamanho e tempo de vida, entre outras coisas.
O nêutron consiste em três quarks que giram em torno dele, mantidos juntos por glúons. Os físicos usam fatores de forma eletromagnéticos para descrever essa estrutura interna dinâmica do nêutron. Esses fatores de forma representam uma distribuição média de carga elétrica e magnetização dentro do nêutron e podem ser determinados por meio de experimentação.
Espaço em branco no mapa de fator de forma preenchido com dados precisos
“Um fator de forma único, medido em um determinado nível de energia, não diz muito no início”, explicou o professor Frank Maas, pesquisador do PRISMA + Cluster de Excelência em Mainz, do Helmholtz Institute Mainz (HIM) e do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt. “Medições dos fatores de forma em várias energias são necessárias para tirar conclusões sobre a estrutura do nêutron.” Em certas faixas de energia, que são acessíveis por meio de experimentos de espalhamento elétron-próton padrão, os fatores de forma podem ser determinados com bastante precisão. No entanto, até agora este não tem sido o caso com outras áreas para as quais as chamadas técnicas de aniquilação são necessárias, as quais envolvem matéria e antimatéria destruindo-se mutuamente.
No Experimento BESIII que está sendo realizado na China, recentemente foi possível determinar com precisão os dados correspondentes na faixa de energia de 2 a 3,8 gigaeletronvolts. Conforme apontado em artigo publicado pela parceria na atual edição da Nature Physics, esta é mais de 60 vezes mais precisa do que as medições anteriores. “Com esses novos dados, preenchemos, por assim dizer, um espaço em branco no ‘mapa’ do fator de forma de nêutrons, que até agora era um território desconhecido”, apontou o professor Frank Maas. “Esses dados agora são tão precisos quanto os obtidos em experimentos de espalhamento correspondentes. Como resultado, nosso conhecimento dos fatores de forma do nêutron mudará dramaticamente e, como tal, teremos uma imagem muito mais abrangente deste importante bloco de construção da natureza. ”
Trabalho verdadeiramente pioneiro em um difícil campo de pesquisa
Para fazer incursões no preenchimento dos campos obrigatórios do ‘mapa’ do fator de forma, os físicos precisavam de antipartículas. A parceria internacional, portanto, usou o Beijing Electron-Positron Collider II para suas medições. Aqui, os elétrons e suas antipartículas positivas, ou seja, pósitrons, podem colidir em um acelerador e se destruir, criando outros novos pares de partículas – um processo conhecido como ‘aniquilação’ na física. Usando o detector BESIII, os pesquisadores observaram e analisaram o resultado, no qual os elétrons e pósitrons formam nêutrons e anti-nêutrons. “Experimentos de aniquilação como esses estão longe de ser tão bem estabelecidos quanto os experimentos de espalhamento padrão”, acrescentou Maas. “Um trabalho de desenvolvimento substancial foi necessário para realizar o experimento atual – a intensidade do acelerador teve que ser melhorada e o método de detecção do nêutron indescritível teve que ser praticamente reinventado na análise dos dados experimentais. Isso não era de forma direta. Nossa parceria fez um trabalho verdadeiramente pioneiro aqui. ”
Outros fenômenos interessantes
Como se isso não bastasse, as medições mostraram aos físicos que os resultados para o fator de forma não produzem uma inclinação consistente em relação ao nível de energia, mas sim um padrão oscilante no qual as flutuações tornam-se menores à medida que o nível de energia aumenta. Eles observaram um comportamento surpreendente semelhante no caso do próton – aqui, no entanto, as flutuações foram espelhadas, ou seja, deslocadas de fase. “Esta nova descoberta indica, antes de mais nada, que os núcleons não têm uma estrutura simples”, explicou o professor Frank Maas. “Agora, nossos colegas do lado teórico foram solicitados a desenvolver modelos para explicar esse comportamento extraordinário.”
Finalmente, com base em suas medições, a parceria BESIII modificou como a razão relativa dos fatores de forma de nêutron para próton precisa ser vista. Muitos anos atrás, o resultado produzido no experimento FENICE era uma proporção maior que um, o que significa que o nêutron deve ter um fator de forma consistentemente maior do que o próton. “Mas, à medida que o próton é carregado, seria de esperar que ocorresse o contrário”, afirmou Maas. “E isso é exatamente o que vemos quando comparamos nossos dados de nêutrons com os dados de prótons que adquirimos recentemente por meio do BESIII. Então, aqui retificamos como precisamos perceber as menores partículas.”
Do micro ao macrocosmo
De acordo com Maas, as novas descobertas são especialmente importantes porque são tão fundamentais. “Eles fornecem novas perspectivas sobre as propriedades básicas do nêutron. Além do mais, olhando para os menores blocos de construção da matéria, também podemos compreender fenômenos que ocorrem nas dimensões maiores – como a fusão de duas estrelas de nêutrons. Essa física dos extremos já é muito fascinante. ”
Publicado em 09/11/2021 20h17
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