Vinte anos atrás, os físicos começaram a investigar a misteriosa assimetria da estrutura interna do próton. Os resultados de seu trabalho, publicados no final de fevereiro de 2021, explicam como a antimatéria ajuda a estabilizar o núcleo de cada átomo.
Muito raramente é mencionado que os prótons - as partículas carregadas positivamente no centro de um átomo - são parcialmente antimatéria.
Na escola, fomos informados que um próton é um grupo de três partículas elementares chamadas quarks - dois quarks u (up) e um quark d (down), cujas cargas elétricas +2/3 e -1/3, respectivamente, some o próton tem uma carga de +1. Mas por trás dessa imagem elementar existe uma história muito mais estranha e ainda não resolvida.
À distância, parece que o próton é composto de três partículas chamadas quarks. Mas se você olhar mais de perto, poderá ver muitas partículas aparecendo e desaparecendo. Na
verdade, um vórtice de um número variável de seis tipos de quarks, suas contrapartes de carga oposta da antimatéria (antiquarks) e glúons, partículas elementares sem massa que unem outras partículas, são transformadas dentro do próton, nelas e se multiplicam rapidamente. De alguma forma, esse vórtice borbulhante se mostra completamente estável e aparentemente simples, imitando em certos aspectos um trio de quarks. “Francamente, a forma como tudo funciona parece um milagre”, disse Donald Gisaman , físico nuclear do Laboratório Nacional Argonne, em Illinois.
Trinta anos atrás, os pesquisadores descobriram uma propriedade impressionante desse "mar de prótons". Os teóricos esperavam que diferentes tipos de antimatéria fossem uniformemente distribuídos nele, mas parecia que o número de antiquarks inferiores excedia significativamente o número de antiquarks superiores. Então, dez anos depois, outro grupo de pesquisadores notou indícios de variações inexplicáveis na proporção dos antiquarks superiores e inferiores. Mas esses resultados estavam no limite da sensibilidade do experimento.
Então, há 20 anos, Donald Gisaman e seu colega Paul Rymer começaram a trabalhar em um novo experimento para entender melhor esse problema. O experimento, apelidado de SeaQuest, finalmente acabou e os pesquisadores o publicaram resultados na revista Nature. Eles mediram a antimatéria intrínseca do próton mais completamente do que nunca e descobriram que para cada antiquarque superior, em média, há 1,4 antiquarque inferior.
Samuel Velasco / Quanta Magazine
Esses dados apóiam diretamente dois modelos teóricos do mar de prótons. “Esta é a primeira evidência real para apoiar esses modelos”, disse Reimer.
Um, o modelo de nuvem de píons, é uma abordagem popular que existe há décadas e enfatiza a tendência do próton de emitir e reabsorver partículas chamadas píons, que pertencem a um grupo de partículas conhecido como mésons. O segundo, o assim chamado modelo estatístico , considera o próton como um recipiente cheio de gás.
Outros experimentos planejados ajudarão os pesquisadores a escolher um desses dois modelos. Mas o que quer que seja verdade, o conjunto de dados de antimatéria intrínseca de prótons SeaQuest será de benefício imediato, especialmente para os físicos que colidem prótons em velocidades próximas à da luz no Grande Colisor de Hádrons. Com informações precisas sobre a composição dos objetos em colisão, eles poderão desmontar com mais eficiência os produtos deixados após a colisão em busca de evidências da existência de novas partículas ou efeitos. Juan Rojo da Free University of Amsterdam, que auxilia na análise dos dados do LHC, acredita que os resultados do experimento SeaQuest podem ter um grande impacto na busca por uma nova física, que atualmente é "limitada pelo nosso conhecimento da estrutura do próton, em particular sobre sua antimatéria. "
O terceiro não é supérfluo
Por um curto período de tempo, cerca de meio século atrás, os físicos acreditaram que haviam lidado com o próton.
Em 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram independentemente um modelo que mais tarde se tornou quark : a ideia era que prótons, nêutrons e suas partículas mais raras associadas eram feixes de três quarks (como eram chamadosGell-Mann), e píons e outros mésons são compostos de um quark e um antiquark. Esse esquema explicava a cacofonia de partículas voando de aceleradores de partículas de alta energia, uma vez que o espectro de suas cargas poderia ser construído a partir de combinações de duas e três partes. Então, por volta de 1970, pesquisadores do Stanford Linear Accelerator (SLAC) pareceram confirmar o modelo de quark: ao disparar elétrons em alta velocidade contra prótons, eles viram elétrons ricocheteando em objetos internos.
Mas a imagem logo ficou menos clara. “À medida que tentamos medir as propriedades desses três quarks, descobrimos que algo mais estava acontecendo”, disse Chuck Brown, um membro da equipe SeaQuest de 80 anos do National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab), que tem trabalhado em experimentos de quark desde os anos 1970.
O estudo do momento de três quarks mostrou que suas massas constituem uma pequena parte da massa total do próton. Além disso, quando os pesquisadores do SLAC estavam atirando elétrons em velocidades mais altas em prótons, eles viram que os elétrons estavam repelindo mais partículas para dentro. Quanto mais rápidos os elétrons, menor seu comprimento de onda, o que os tornava sensíveis aos elementos mais finos do próton; é como aumentar a resolução de um microscópio. Mais e mais partículas internas foram descobertas, que pareciam não ter fim. “Não sabemos onde está o limite e qual a resolução mais alta que podemos obter”, disse Gisaman.
Os resultados começaram a fazer mais sentido quando os físicos desenvolveram uma teoria verdadeira da qual o modelo de quark está cada vez mais próximo: cromodinâmica quântica, ou QCD. QCD, formulado em 1973, descreve a "força forte", a maior força na natureza pela qual partículas chamadas glúons ligam feixes de quarks.
QCD prevê o mesmo vórtice que foi revelado em experimentos de espalhamento. As dificuldades surgem devido ao fato de que os glúons sentem a própria força que carregam. É assim que eles diferem dos fótons, que carregam uma força eletromagnética mais simples. Essa "arbitrariedade" cria desordem dentro do próton, dando aos glúons completa liberdade de ação para o surgimento, multiplicação e divisão em pares de quarks e antiquarks de curto prazo. Equilibrando-se uns aos outros, esses quarks e antiquarks com cargas opostas próximas passam despercebidos de longe. Apenas três quarks de "valência" desequilibrados - dois para cima e para baixo - compõem a carga total do próton. Mas os físicos perceberam que, ao disparar elétrons em velocidades mais altas, eles atingem alvos menores.
No entanto, as esquisitices não param por aí.
Por causa da arbitrariedade dos glúons, as equações QCD não podem ser resolvidas; portanto, os físicos falharam e ainda não podem calcular previsões precisas da teoria. Mas eles não tinham nenhuma razão para supor que os glúons se dividiriam em um tipo de par quark-antiquark (ou seja, o inferior) com mais freqüência do que em outro. “Esperávamos que um número igual de ambos os pares aparecesse”, disse Mary Ahlberg , uma teórica nuclear da Universidade de Seattle, explicando seu raciocínio na época.
Mary Ahlberg, uma física nuclear da Universidade de Seattle, e seus co-autores há muito argumentam que o píon desempenha um papel importante na formação da essência do próton.
Foto cortesia da Universidade de Seattle
É por isso que os pesquisadores da New Muon Collaboration em Genebra ficaram tão chocados com os resultados do experimento de espalhamento de múon. Em 1991. Eles colidiram múons (os parentes mais pesados dos elétrons) com prótons e deuterons, consistindo em um próton e um nêutron, compararam os resultados e concluíram que há mais antiquarks inferiores no mar de prótons do que antiquarks superiores.
Partes de um próton
Logo, os teóricos propuseram várias explicações possíveis para a assimetria do próton.
Um deles está associado a uma peônia. Desde a década de 1940, os físicos observam prótons e nêutrons trocando píons dentro dos núcleos atômicos, como jogadores de um time jogando bolas de basquete uns para os outros para mantê-los juntos. Refletindo sobre a estrutura do próton, os pesquisadores chegaram à conclusão de que ele também pode lançar uma bola de basquete para si mesmo, ou seja, pode emitir brevemente um píon carregado positivamente, transformando-se em nêutron neste momento, e então reabsorvê-lo. “Se durante um experimento você pensa que está olhando para um próton, não está, porque por algum tempo esse próton entrará no estado de um par nêutron-píon”, disse Ahlberg.
Mais precisamente, um próton se transforma em um nêutron e um píon, consistindo em um quark up e um antiquark down. Como essa peônia fantasmagórica tem um antiquarque inferior (uma peônia com um antiquarque superior não pode se materializar tão facilmente), teóricos como Ahlberg, Gerald Miller e Tony Thomas argumentaram que o modelo de nuvem píônica explica o maior número de antiquarques de prótons inferiores detectados por medições .
Samuel Velasco / Revista Quanta
Outros argumentos também surgiram. Claude Burrely e seus colegas da França desenvolveram um modelo estatístico que considera as partículas internas de um próton como moléculas de gás em uma sala, movendo-se caoticamente em velocidades diferentes, que dependem se a partícula tem um momento angular inteiro ou meio inteiro. Quando ajustado com dados de vários experimentos de espalhamento, o modelo assumiu uma predominância de antiquarks.
As previsões dos dois modelos citados não eram idênticas. A maior parte da massa total de um próton é composta de energias de partículas individuais que entram e saem do mar de prótons, e essas partículas carregam energias diferentes. Os modelos previram de maneira diferente como a proporção de antiquarks altos e baixos deveria mudar à medida que eles contavam os antiquarks que carregam mais energia. Os físicos medem uma quantidade relacionada chamada fração de momento do antiquark.
Quando os pesquisadores do Fermilab em 1999, sob o experimento NuSea medirama proporção dos antiquarques superiores e inferiores em função do momento do antiquarque, o resultado de seu trabalho simplesmente inspirou a todos, lembra Ahlberg. Esses dados indicam que entre os antiquarks com um grande momento (tão grande que eles estavam no limite da faixa de detecção do instrumento), havia repentinamente mais antiquarks superiores do que inferiores. "Todos os teóricos disseram: 'Espere um minuto', disse Ahlberg." Por que a curva se desdobrou quando esses antiquarks ganharam muito ímpeto? "
Enquanto os teóricos estavam quebrando a cabeça com esta questão, Gisaman e Reimer, que estavam trabalhando no experimento NuSea e sabiam que os dados à beira de algumas vezes não eram confiáveis, decidiram construir um experimento onde seria possível investigar uma gama mais ampla de o antiquark pulsa em condições confortáveis. Eles o chamaram de SeaQuest.
Do que foi
Com um monte de perguntas sobre o próton, mas sem dinheiro, eles começaram a montar um experimento com as peças usadas. “Nosso lema era: reduzir o desperdício, reutilizar, reciclar”, disse Reimer.
Eles compraram vários cintiladores antigos do laboratório de Hamburgo, os detectores de partículas restantes no Laboratório Nacional de Los Alamos e as placas de ferro bloqueadoras de radiação que foram originalmente usadas no ciclotron da Universidade de Columbia na década de 1950. Eles foram capazes de usar o ímã do tamanho de uma sala usado no experimento NuSea e realizar seu novo experimento no acelerador de prótons no Fermilab. O "Frankenstein" resultante desses detalhes, entretanto, não era desprovido de seu charme. Segundo Brown, que ajudou a encontrar todas as peças, o indicador sonoro que sinaliza que os prótons estão entrando no aparelho foi feito há 50 anos: "Quando bipa, aquece a alma".
O físico nuclear Paul Rymer (topo) com o dispositivo de experimento SeaQuest
Um experimento no Fermilab, construído principalmente com peças usadas
. Finalmente, eles o lançaram. No experimento, os prótons atingiram dois alvos: uma bolha de hidrogênio, que é essencialmente um próton, e uma bolha de deutério, cujo núcleo consiste em um próton e um nêutron.
Ao atingir qualquer um dos dois alvos, um dos quarks de valência do próton às vezes se aniquila com um dos antiquarks do próton ou nêutron do alvo. “A aniquilação tem uma assinatura única e produz múon e anti-múon”, disse Rymer. Essas partículas, junto com outros "detritos" da colisão, se chocam contra as velhas placas de ferro. “Muons podem passar por eles e todas as outras partículas são bloqueadas”, disse ele. Ao detectar múons na parte de trás das placas e restaurar suas trajetórias e velocidades originais, "você pode reconstruir a cronologia dos eventos para descobrir que fração do momentum é transportada pelos antiquarks".
Uma vez que prótons e nêutrons se espelham, onde um possui partículas do tipo superior, o outro possui partículas do tipo inferior e vice-versa. Comparando os dados das duas bolhas, pode-se ver imediatamente a proporção dos antiquarks superiores para os antiquarks inferiores no próton, mas isso, é claro, foi precedido por 20 anos de trabalho.
Em 2019, Ahlberg e Miller calcularam os resultados do experimento SeaQuest com base no modelo de nuvem pion . Suas previsões estão de acordo com os novos dados do SeaQuest.
Novos dados que mostram um aumento gradual e, em seguida, um platô na proporção entre os antiquarques inferiores e superiores, ao invés de uma reversão repentina, também coincidem com os resultados de um modelo estatístico mais flexível.desenvolvido por Burrely e colegas. Ainda assim, Miller chama esse modelo concorrente de "descritivo, não preditivo", porque é ajustado para se ajustar aos dados, em vez de extrair um mecanismo físico que explica o domínio dos antiquarks. “E em nossos cálculos, estou orgulhoso do fato de que eles representam uma previsão verdadeira”, disse Ahlberg. “Não ajustamos nenhum parâmetro de antemão.”
Em um e-mail, Burrely argumentou que "o modelo estatístico é mais poderoso do que o modelo de Alberg e Miller" porque leva em consideração experimentos de espalhamento com partículas polarizadas e não polarizadas. Miller discordou veementemente, observando que o modelo de nuvem de píons explica não só a composição de antimatéria do próton, mas também os momentos magnéticos de várias partículas, a distribuição de cargas e tempos de decaimento, bem como "a ligação e, portanto, a existência de todos os núcleos . " Ele acrescentou que o mecanismo de píons “é importante em um sentido amplo para questões como“ Por que existem núcleos? Por que existimos? "
Na busca final para entender o próton, o spin ou o momento angular intrínseco pode ser o fator decisivo. Um experimento de espalhamento de múon no final dos anos 1980 mostrouque os spins dos três quarks de valência do próton não são mais do que 30% do spin total do próton. A "crise do spin do próton" pode ser expressa pela seguinte pergunta: "O que compõe os 70% restantes?" E como o explorador veterano Chuck Brown, um veterano do Fermilab, disse novamente: "Deve haver algo mais."
Os experimentadores irão investigar o spin do mar de prótons no Fermilab e, em seguida, no colisor elétron-íon projetado no Laboratório Nacional de Brookhaven. Ahlberg e Miller já estão trabalhando nos cálculos de uma "nuvem mesônica" completa em torno dos prótons, que, além dos píons, inclui os mais raros "mesons rho". Ao contrário dos píons, os mésons ro têm spin, então eles devem de alguma forma influenciar o spin total do próton, que Ahlberg e Miller esperam determinar.
O experimento SpinQuest do Fermilab , que envolve muitos pesquisadores do SeaQuest e usa os detalhes desse experimento, está quase pronto para começar , disse Brown . “Com sorte, obteremos os dados nesta primavera; isso dependerá, pelo menos em parte, do progresso no desenvolvimento de uma vacina contra o vírus. É curioso que a solução para uma questão tão profunda e incompreensível da estrutura interna do núcleo dependa da situação do vírus COVID no país. Tudo no mundo está interligado, não é? "