Físicos do MIT têm agora uma resposta para uma pergunta em física nuclear que tem intrigado os cientistas por três décadas: Porque é que os quarks se movem mais lentamente dentro de átomos maiores?

As observações, juntamente com os gluões, são os blocos fundamentais de construção do universo. Estas partículas subatômicas – as menores partículas que conhecemos – são muito menores, e operam em níveis de energia muito mais elevados, do que os prótons e nêutrons nos quais são encontrados. Os físicos assumiram, portanto, que uma quark deve ser indiferente às características dos prótons e nêutrons, e do átomo global em que reside.

Mas em 1983, os físicos do CERN, como parte da Colaboração Européia Muon (EMC), observaram pela primeira vez o que ficaria conhecido como o efeito EMC: No núcleo de um átomo de ferro contendo muitos prótons e nêutrons, os quarks se movem significativamente mais lentamente que os quarks em deutério, que contém um único próton e nêutron. Desde então, os físicos têm encontrado mais evidências de que quanto maior o núcleo de um átomo, mais lentos são os quarks que se movem dentro.

“As pessoas têm estado a enrolar os seus cérebros durante 35 anos, tentando explicar porque este efeito acontece”, diz Or Hen, professor assistente de física no MIT.

Agora Hen, Barak Schmookler, e Axel Schmidt, estudante de pós-graduação e pós-doutorando no Laboratório de Ciências Nucleares do MIT, lideraram uma equipe internacional de físicos na identificação de uma explicação para o efeito EMC. Eles descobriram que a velocidade de um quark depende do número de prótons e nêutrons que formam pares correlatos de curto alcance no núcleo de um átomo. Quanto mais esses pares existem em um núcleo, mais lentamente os quarks se movem dentro dos prótons e nêutrons do átomo.

Schmidt diz que os prótons e nêutrons de um átomo podem se emparelhar constantemente, mas apenas momentaneamente, antes de se separarem e seguirem seus caminhos separados. Durante esta breve interação, de alta energia, ele acredita que os quarks em suas respectivas partículas podem ter um “maior espaço para jogar”

“Na mecânica quântica, sempre que você aumenta o volume sobre o qual um objeto está confinado, ele abranda”, diz Schmidt. “Se você apertar o espaço, ele acelera. Isso é um fato conhecido””

As átomos com núcleos maiores têm intrinsecamente mais prótons e nêutrons, eles também são mais propensos a ter um número maior de pares prótons-neutrons, também conhecidos como “pares de curto alcance correlacionados” ou pares SRC. Portanto, a equipe conclui que quanto maior o átomo, mais pares é provável que ele contenha, resultando em quarks mais lentos nesse átomo em particular.

Schmookler, Schmidt, e Hen como membros da Colaboração CLAS no Thomas Jefferson National Accelerator Facility, publicaram seus resultados hoje na revista Nature.

De uma sugestão a um quadro completo

Em 2011, Hen e colaboradores, que focaram grande parte de suas pesquisas em pares SRC, se perguntaram se este acoplamento efêmero tinha algo a ver com o efeito EMC e a velocidade dos quarks nos núcleos atômicos.

Reuniram dados de vários experimentos com aceleradores de partículas, alguns dos quais mediram o comportamento dos quarks em certos núcleos atômicos, enquanto outros detectaram pares SRC em outros núcleos. Quando eles traçaram os dados em um gráfico, uma tendência clara apareceu: Quanto maior o núcleo de um átomo, mais pares de SRC existiam, e mais lentos eram os quarks que eram medidos. O maior núcleo dos dados – o ouro – continha quarks que se moviam 20% mais lentamente do que os do menor núcleo medido, o hélio.

“Esta foi a primeira vez que esta conexão foi concretamente sugerida”, diz Hen. “Mas tivemos que fazer um estudo mais detalhado para construir um quadro físico completo”

Então ele e seus colegas analisaram dados de um experimento que comparou átomos de diferentes tamanhos e permitiu medir tanto a velocidade dos quarks quanto o número de pares de SRC no núcleo de cada átomo. O experimento foi realizado no Grande Espectrômetro de Aceitação CEBAF, ou detector CLAS, um enorme acelerador de partículas esféricas de quatro andares no Laboratório Nacional Thomas Jefferson em Newport News, Virginia.

No detector, Hen descreve a configuração do alvo da equipe como uma “espécie de coisa de Frankenstein”, com braços mecânicos, cada um segurando uma fina folha feita de um material diferente, como carbono, alumínio, ferro e chumbo, cada um feito de átomos contendo 12, 27, 67 e 208 prótons e nêutrons, respectivamente. Um recipiente adjacente continha deutério líquido, com átomos contendo o menor número de prótons e nêutrons do grupo.

Quando eles queriam estudar uma determinada lâmina, eles enviavam um comando ao braço relevante para baixar a lâmina de interesse, seguindo a célula de deutério e diretamente no caminho do feixe de elétrons do detector. Este feixe disparou electrões sobre a célula de deutério e folha sólida, à taxa de vários biliões de electrões por segundo. Enquanto a grande maioria dos electrões falham os alvos, alguns atingem os prótons ou os neutrões dentro do núcleo, ou os próprios quarks muito mais estanhados. Quando eles atingem, os elétrons se dispersam amplamente, e os ângulos e energias em que eles se dispersam variam dependendo do que eles atingem – informação que o detector captura.

Ajuste de elétrons

O experimento durou vários meses e no final acumulou bilhões de interações entre elétrons e quarks. Os pesquisadores calcularam a velocidade do quark em cada interação, com base na energia do elétron após a sua dispersão, e depois compararam a velocidade média do quark entre os vários átomos.

Olhando para ângulos de dispersão muito menores, correspondentes a transferências de momento de um comprimento de onda diferente, a equipe foi capaz de “zoom out” para que os elétrons dispersassem os prótons e nêutrons maiores, em vez de quarks. Os pares SRC são tipicamente extremamente energéticos e, portanto, dispersariam elétrons em energias mais altas do que os prótons e nêutrons não pareados, o que é uma distinção que os pesquisadores usaram para detectar os pares SRC em cada material estudado.

“Vemos que esses pares de alto-momento são a razão para esses quarks de movimento lento”, diz Hen.

Em particular, eles descobriram que os quarks em lâminas com núcleos atômicos maiores (e mais pares de prótons-neutrons) se moviam no máximo 20% mais lentamente que o deutério, o material com menor número de pares.

“Estes pares de prótons e nêutrons têm esta louca interação de alta energia, muito rapidamente, e depois se dissipam”, diz Schmidt. “Nesse tempo, a interação é muito mais forte do que o normal e os núcleons têm sobreposição espacial significativa. Assim, pensamos que os quarks neste estado abrandam muito”

Os seus dados mostram pela primeira vez que a velocidade de um quark é diminuída depende do número de pares de SRC num núcleo atómico. Quarks em chumbo, por exemplo, eram muito mais lentos que os de alumínio, que por sua vez eram mais lentos que os de ferro, e assim por diante.

A equipe está agora projetando uma experiência na qual espera detectar a velocidade dos quarks, especificamente em pares SRC.

“Queremos isolar e medir pares correlacionados, e esperamos que isso produza essa mesma função universal, na medida em que a forma como os quarks mudam sua velocidade dentro dos pares é a mesma em carbono e chumbo, e deve ser universal em todos os núcleos”, diz Schmidt.

Ultimamente, a nova explicação da equipe pode ajudar a iluminar diferenças sutis, mas importantes, no comportamento dos quarks, os blocos de construção mais básicos do mundo visível. Os cientistas têm uma compreensão incompleta de como essas minúsculas partículas vêm para construir os prótons e nêutrons que depois se unem para formar os átomos individuais que compõem todo o material que vemos no universo.

“Compreender como os quarks interagem é realmente a essência da compreensão da matéria visível no universo”, diz Hen. “Esse efeito EMC, embora 10 a 20%, é algo tão fundamental que queremos entendê-lo”.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.

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