Novos experimentos confirmam uma discrepância com as previsões teóricas. Imagem via Physics APS
Ao medir núcleos de hélio inflados, os físicos desafiaram nossa melhor compreensão da força que liga prótons e nêutrons.
Uma nova medição da força nuclear forte, que une prótons e nêutrons, confirma indícios anteriores de uma verdade desconfortável: ainda não temos uma compreensão teórica sólida até mesmo dos sistemas nucleares mais simples.
Para testar a força nuclear forte, os físicos se voltaram para o núcleo de hélio-4, que tem dois prótons e dois nêutrons. Quando os núcleos de hélio são excitados, eles crescem como um balão inflado até que um dos prótons se solte. Surpreendentemente, em um experimento recente, os núcleos de hélio não cresceram de acordo com o planejado: eles inflaram mais do que o esperado antes de estourar. Uma medida que descreve essa expansão, chamada de fator de forma, é duas vezes maior do que as previsões teóricas.
“A teoria deve funcionar”, disse Sonia Bacca, física teórica da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e autora do artigo que descreve a discrepância, publicado na Physical Review Letters. “Estamos confusos.”
O crescente núcleo de hélio, dizem os pesquisadores, é uma espécie de minilaboratório para testar a teoria nuclear porque é como um microscópio – pode ampliar as deficiências nos cálculos teóricos. Os físicos acham que certas peculiaridades desse inchaço o tornam extremamente sensível até mesmo aos componentes mais fracos da força nuclear – fatores tão pequenos que geralmente são ignorados. O quanto o núcleo incha também corresponde à fragilidade da matéria nuclear, uma propriedade que oferece informações sobre os misteriosos corações das estrelas de nêutrons. Mas antes de explicar o esmagamento da matéria nas estrelas de nêutrons, os físicos devem primeiro descobrir por que suas previsões estão tão distantes.
Bira van Kolck, um teórico nuclear do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, disse que Bacca e seus colegas expuseram um problema significativo na física nuclear. Eles descobriram, disse ele, um caso em que nossa melhor compreensão das interações nucleares – uma estrutura conhecida como teoria do campo efetivo quiral – ficou aquém.
“Essa transição amplifica os problemas [com a teoria] que em outras situações não são tão relevantes”, disse van Kolck.
A Força Nuclear Forte
Núcleos atômicos – prótons e nêutrons – são mantidos juntos pela força forte. Mas a teoria da força forte não foi desenvolvida para explicar como os núcleons se unem. Em vez disso, foi usado pela primeira vez para explicar como prótons e nêutrons são feitos de partículas elementares chamadas quarks e glúons.
Por muitos anos, os físicos não entenderam como usar a força forte para entender a aderência de prótons e nêutrons. Um problema era a natureza bizarra da força forte – ela fica mais forte com o aumento da distância, em vez de morrer lentamente. Esse recurso os impedia de usar seus truques de cálculo habituais. Quando os físicos de partículas querem entender um sistema específico, eles normalmente dividem uma força em contribuições aproximadas mais gerenciáveis, ordenam essas contribuições do mais importante para o menos importante e simplesmente ignoram as contribuições menos importantes. Com a força forte, eles não podiam fazer isso.
Então, em 1990, Steven Weinberg encontrou uma maneira de conectar o mundo dos quarks e glúons aos núcleos pegajosos. O truque era usar uma teoria de campo eficaz – uma teoria que é tão detalhada quanto precisa ser para descrever a natureza em uma escala de tamanho (ou energia) específica. Para descrever o comportamento de um núcleo, você não precisa saber sobre quarks e glúons. Em vez disso, nessas escalas, surge uma nova força efetiva – a força nuclear forte, transmitida entre os núcleons pela troca de píons.
O trabalho de Weinberg ajudou os físicos a entender como a força nuclear forte emerge da força forte. Também possibilitou que eles realizassem cálculos teóricos com base no método usual de contribuições aproximadas. A teoria – teoria efetiva quiral – agora é amplamente considerada a “melhor teoria que temos”, disse Bacca, para calcular as forças que governam o comportamento dos núcleos.
Kristina Armitage/Revista Quanta
Em 2013, Bacca usou essa teoria de campo eficaz para prever quanto um núcleo de hélio excitado iria inchar. Mas quando ela comparou seu cálculo com experimentos realizados nas décadas de 1970 e 1980, ela encontrou uma discrepância substancial. Ela previu menos inchaço do que os valores medidos, mas as barras de erro experimentais eram grandes demais para ela ter certeza.
Núcleos de Balonismo
Depois dessa primeira sugestão de problema, Bacca encorajou seus colegas em Mainz a repetir os experimentos de décadas – eles tinham ferramentas mais afiadas à sua disposição e podiam fazer medições mais precisas. Essas discussões levaram a uma nova colaboração: Simon Kegel e seus colegas atualizariam o trabalho experimental, e Bacca e seus colegas tentariam entender a mesma incompatibilidade intrigante, se surgisse.
Em seu experimento, Kegel e seus colegas excitaram os núcleos disparando um feixe de elétrons em um tanque de gás hélio frio. Se um elétron passasse dentro do alcance de um dos núcleos de hélio, ele doaria parte de seu excesso de energia para os prótons e nêutrons, fazendo com que o núcleo inflasse. Esse estado inflado foi passageiro – o núcleo rapidamente perdeu o controle de um de seus prótons, decaindo em um núcleo de hidrogênio com dois nêutrons, mais um próton livre.
Como em outras transições nucleares, apenas uma quantidade específica de energia doada permitirá que o núcleo inche. Variando o momento dos elétrons e observando como o hélio respondeu, os cientistas puderam medir a expansão. A equipe então comparou essa mudança na propagação de um núcleo – o fator de forma – com uma variedade de cálculos teóricos. Nenhuma das teorias combinava com os dados. Mas, estranhamente, o cálculo que mais se aproximou usou um modelo supersimplificado da força nuclear – não a teoria do campo efetivo quiral.
“Isso foi totalmente inesperado”, disse Bacca.
Outros pesquisadores estão igualmente perplexos. “É um experimento limpo e bem feito. Portanto, confio nos dados”, disse Laura Elisa Marcucci, física da Universidade de Pisa, na Itália. Mas, ela disse, o experimento e a teoria se contradizem, então um deles deve estar errado.
Trazendo Equilíbrio para a Força
Em retrospecto, os físicos tinham vários motivos para suspeitar que essa simples medição iria testar os limites de nossa compreensão das forças nucleares.
Em primeiro lugar, este sistema é particularmente meticuloso. A energia necessária para produzir o núcleo de hélio temporariamente inflado – o estado que os pesquisadores querem estudar – está logo acima da energia necessária para expelir um próton e logo abaixo do mesmo limiar para um nêutron. Isso torna tudo difícil de calcular.
A segunda razão tem a ver com a teoria do campo efetivo de Weinberg. Funcionou porque permitiu que os físicos ignorassem as partes menos importantes das equações. Van Kolck afirma que algumas das partes consideradas menos importantes e rotineiramente ignoradas são de fato muito importantes. O microscópio fornecido por essa medição de hélio em particular, disse ele, está iluminando esse erro básico.
“Não posso ser muito crítico porque esses cálculos são muito difíceis”, acrescentou. “Eles estão fazendo o melhor que podem.”
Vários grupos, incluindo o de van Kolck, planejam repetir os cálculos de Bacca e descobrir o que deu errado. É possível que simplesmente incluir mais termos na aproximação da força nuclear seja a resposta. Por outro lado, também é possível que esses núcleos de hélio tenham exposto uma falha fatal em nossa compreensão da força nuclear.
“Expusemos o quebra-cabeça, mas infelizmente não resolvemos o quebra-cabeça”, disse Bacca. “Ainda não.”
Publicado em 17/06/2023 16h55
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