Pergunte a Ethan: De onde vem a massa de um próton?
Os três quarks de valência de um próton contribuem para seu spin, mas também os glúons, quarks e antiquarks do mar e o momento angular orbital. A repulsão eletrostática e a força nuclear forte atrativa, em conjunto, são o que dão ao próton seu tamanho, e as propriedades da mistura de quarks são necessárias para explicar o conjunto de partículas livres e compostas em nosso Universo. (APS/ALAN STONEBRAKER)
O todo deveria ser igual à soma de suas partes, mas não é. Aqui está o porquê.
O todo é igual à soma de suas partes constituintes. É assim que tudo funciona, de galáxias a planetas, cidades, moléculas e átomos. Se você pegar todos os componentes de qualquer sistema e examiná-los individualmente, poderá ver claramente como todos eles se encaixam para formar todo o sistema, sem nada faltando e nada sobrando. A quantia total que você tem é igual às quantias de todas as diferentes partes somadas.
Então, por que não é esse o caso do próton? É feito de três quarks, mas se você somar as massas dos quarks, eles não apenas não equivalem à massa do próton, como também não chegam perto. Este é o quebra-cabeça que Barry Duffey quer que abordemos, perguntando:
O que está acontecendo dentro dos prótons? Por que [sua] massa excede tanto as massas combinadas de seus quarks e glúons constituintes?
Para descobrir, temos que olhar profundamente para dentro.
A composição do corpo humano, por número atômico e por massa. O todo do nosso corpo é igual à soma de suas partes, até chegarmos a um nível extremamente fundamental. Nesse ponto, podemos ver que na verdade somos mais do que a soma de nossos componentes constituintes. (ED UTHMAN, M.D., VIA WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN (EU); USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS ZHAOCAROL (R))
Há uma dica que vem apenas de olhar para o seu próprio corpo. Se você se dividir em pedaços cada vez menores, descobrirá – em termos de massa – o todo é igual à soma de suas partes. Os ossos, gordura, músculos e órgãos do seu corpo se resumem a um ser humano inteiro. Quebrá-los ainda mais, em células, ainda permite adicioná-los e recuperar a mesma massa que você tem hoje.
As células podem ser divididas em organelas, as organelas são compostas de moléculas individuais, as moléculas são feitas de átomos; em cada estágio, a massa do todo não é diferente da massa de suas partes. Mas quando você quebra os átomos em prótons, nêutrons e elétrons, algo interessante acontece. Nesse nível, há uma discrepância pequena, mas perceptível: os prótons, nêutrons e elétrons individuais estão fora de cerca de 1% de um ser humano inteiro. A diferença é real.
Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)
Como todos os organismos conhecidos, os seres humanos são formas de vida baseadas em carbono. Os átomos de carbono são compostos de seis prótons e seis nêutrons, mas se você observar a massa de um átomo de carbono, é aproximadamente 0,8% mais leve que a soma das partículas componentes individuais que o compõem. O culpado aqui é a energia de ligação nuclear; quando você tem núcleos atômicos unidos, sua massa total é menor que a massa dos prótons e nêutrons que os compõem.
A forma como o carbono é formado é através da fusão nuclear de hidrogênio em hélio e depois hélio em carbono; a energia liberada é o que alimenta a maioria dos tipos de estrelas em suas fases normais e gigantes vermelhas. Essa massa perdida é de onde vem a energia que alimenta as estrelas, graças ao Einstein E = mc² . À medida que as estrelas queimam seu combustível, elas produzem núcleos mais fortemente ligados, liberando a diferença de energia como radiação.
Entre as 2ª e 3ª estrelas mais brilhantes da constelação de Lyra, as estrelas gigantes azuis Sheliak e Sulafat, a Nebulosa do Anel brilha com destaque nos céus noturnos. Ao longo de todas as fases da vida de uma estrela, incluindo a fase gigante, a fusão nuclear as alimenta, com os núcleos se tornando mais fortemente ligados e a energia emitida como radiação proveniente da transformação de massa em energia via E = mc². (NASA, ESA, PESQUISA DO CÉU DIGITALIZADO 2)
É assim que a maioria dos tipos de energia de ligação funciona: a razão pela qual é mais difícil separar várias coisas que estão unidas é porque elas liberam energia quando são unidas, e você precisa colocar energia para liberá-las novamente. É por isso que é um fato tão intrigante que quando você dá uma olhada nas partículas que compõem o próton - os quarks up, up e down no coração deles - suas massas combinadas são apenas 0,2% da massa do próton como um todo. Mas o quebra-cabeça tem uma solução que é enraizado na natureza da força forte em si.
A forma como os quarks se ligam aos prótons é fundamentalmente diferente de todas as outras forças e interações que conhecemos. Em vez de a força ficar mais forte quando os objetos se aproximam, como as forças gravitacionais, elétricas ou magnéticas, a força atrativa cai para zero quando os quarks se aproximam arbitrariamente. E, em vez de a força ficar mais fraca quando os objetos se afastam, a força que puxa os quarks de volta fica mais forte à medida que se afastam.
A estrutura interna de um próton, com quarks, glúons e spin de quarks mostrados. A força nuclear age como uma mola, com força desprezível quando não esticada, mas grandes forças atrativas quando esticada a grandes distâncias. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)
Essa propriedade da força nuclear forte é conhecida como liberdade assintótica, e as partículas que mediam essa força são conhecidas como glúons. De alguma forma, a energia que une o próton, responsável pelos outros 99,8% da massa do próton, vem desses glúons. O todo da matéria, de alguma forma, pesa muito, muito mais do que a soma de suas partes.
Isso pode parecer uma impossibilidade a princípio, já que os próprios glúons são partículas sem massa. Mas você pode pensar nas forças a que elas dão origem como molas: assíntotas a zero quando as molas não estão esticadas, mas se tornando muito grandes quanto maior a quantidade de alongamento. Na verdade, a quantidade de energia entre dois quarks cuja distância fica muito grande pode se tornar tão grande que é como se pares adicionais de quarks/antiquarks existissem dentro do próton: quarks do mar.
Quando dois prótons colidem, não são apenas os quarks que os compõem que podem colidir, mas os quarks do mar, glúons e, além disso, interações de campo. Todos podem fornecer insights sobre a rotação dos componentes individuais e nos permitir criar partículas potencialmente novas se forem alcançadas energias e luminosidades suficientemente altas. (COLABORAÇÃO CERN / CMS)
Os de vocês familiarizado com a teoria quântica de campos pode ter o desejo de descartar os glúons e os quarks do mar como sendo apenas partículas virtuais: ferramentas de cálculo usadas para chegar ao resultado certo. Mas isso não é verdade, e demonstramos isso com colisões de alta energia entre dois prótons ou um próton e outra partícula, como um elétron ou fóton.
As colisões realizadas no Grande Colisor de Hádrons do CERN são talvez o maior teste de todos para a estrutura interna do próton. Quando dois prótons colidem nessas energias ultra-altas, a maioria deles simplesmente passa um pelo outro, deixando de interagir. Mas quando duas partículas internas semelhantes a pontos colidem, podemos reconstruir exatamente o que foi que se esmagou observando os detritos que saem.
Um evento de bóson de Higgs visto no detector Compact Muon Solenoid no Large Hadron Collider. Essa colisão espetacular está 15 ordens de magnitude abaixo da energia de Planck, mas são as medições de precisão do detector que nos permitem reconstruir o que aconteceu no (e próximo) ponto de colisão. Teoricamente, o Higgs dá massa às partículas fundamentais; no entanto, a massa do próton não se deve à massa dos quarks e glúons que o compõem. (COLABORAÇÃO CERN / CMS)
Menos de 10% das colisões ocorrem entre dois quarks; a esmagadora maioria são colisões glúon-glúon, com colisões quark-glúon compondo o restante. Além disso, nem toda colisão quark-quark em prótons ocorre entre quarks up ou down; às vezes um quark mais pesado está envolvido.
Embora possa nos deixar desconfortáveis, esses experimentos nos ensinam uma lição importante: as partículas que usamos para modelar a estrutura interna dos prótons são reais. De fato, a descoberta do próprio bóson de Higgs só foi possível por causa disso, pois a produção de bósons de Higgs é dominada por colisões glúon-glúon no LHC. Se tudo o que tivéssemos fossem os três quarks de valência em que confiar, teríamos visto taxas de produção de Higgs diferentes das que vimos.
Antes que a massa do bóson de Higgs fosse conhecida, ainda podíamos calcular as taxas de produção esperadas de bósons de Higgs a partir de colisões próton-próton no LHC. O canal superior é claramente produzido por colisões glúon-glúon. Eu (E. Siegel) adicionei a região destacada em amarelo para indicar onde o bóson de Higgs foi descoberto. (COLABORAÇÃO CMS (DORIGO, TOMMASO PELA COLABORAÇÃO) ARXIV:0910.3489)
Como sempre, porém, ainda há muito mais para aprender. Atualmente, temos um modelo sólido da densidade média de glúons dentro de um próton, mas se quisermos saber onde os glúons são mais prováveis de estarem localizados, isso requer mais dados experimentais, bem como modelos melhores para comparar os dados. Avanços recentes dos teóricos Björn Schenke e Heikki Mäntysaari podem fornecer esses modelos tão necessários. Como Mäntysaari detalhou :
Sabe-se com muita precisão quão grande é a densidade média de glúons dentro de um próton. O que não se sabe é exatamente onde os glúons estão localizados dentro do próton. Modelamos os glúons como localizados em torno dos três quarks [de valência]. Em seguida, controlamos a quantidade de flutuações representadas no modelo definindo o tamanho das nuvens de glúons e a distância entre elas. ... Quanto mais flutuações tivermos, mais provável é que esse processo [produção de um méson J/ψ] aconteça.
Um esquema do primeiro colisor de elétrons-íons (EIC) do mundo. Adicionar um anel de elétrons (vermelho) ao Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) em Brookhaven criaria o eRHIC: um experimento proposto de espalhamento inelástico profundo que poderia melhorar significativamente nosso conhecimento da estrutura interna do próton. (GRUPO ERHIC DO LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN-CAD)
A combinação deste novo modelo teórico e os dados cada vez melhores do LHC permitirão aos cientistas entender melhor a estrutura interna e fundamental de prótons, nêutrons e núcleos em geral e, portanto, entender de onde vem a massa dos objetos conhecidos no Universo. . Do ponto de vista experimental, o maior benefício seria um colisor de elétrons-íons de próxima geração, que nos permitiria realizar experimentos de espalhamento inelástico profundo para revelar a composição interna dessas partículas como nunca antes.
Mas há outra abordagem teórica que pode nos levar ainda mais longe no campo da compreensão de onde vem a massa do próton: QCD de Malha .
Uma melhor compreensão da estrutura interna de um próton, incluindo como os quarks e glúons do mar são distribuídos, foi alcançado por meio de melhorias experimentais e novos desenvolvimentos teóricos em conjunto. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)
A parte difícil com a teoria quântica de campos que descreve a força forte – cromodinâmica quântica (QCD) – é que a abordagem padrão que adotamos para fazer cálculos não é boa. Normalmente, observamos os efeitos dos acoplamentos de partículas: os quarks carregados trocam um glúon e isso medeia a força. Eles podem trocar glúons de uma maneira que cria um par partícula-antipartícula ou um glúon adicional, e isso deve ser uma correção para uma simples troca de um glúon. Eles poderiam criar pares ou glúons adicionais, que seriam correções de ordem superior.
Chamamos essa abordagem de expansão perturbativa na teoria quântica de campos, com a ideia de que calcular contribuições de ordem superior e superior nos dará um resultado mais preciso.
Hoje, os diagramas de Feynman são usados no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Mas essa abordagem, que se baseia em uma expansão perturbativa, é apenas de utilidade limitada para as interações fortes, pois essa abordagem diverge, em vez de convergir, quando você adiciona mais e mais loops para QCD. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)
Mas essa abordagem, que funciona tão bem para a eletrodinâmica quântica (QED), falha espetacularmente para a QCD. A força forte funciona de maneira diferente e, portanto, essas correções aumentam muito rapidamente. Adicionar mais termos, em vez de convergir para a resposta correta, diverge e afasta você dela. Felizmente, existe outra maneira de abordar o problema: de forma não perturbadora, usando uma técnica chamada Lattice QCD.
Ao tratar o espaço e o tempo como uma grade (ou rede de pontos) em vez de um continuum, onde a rede é arbitrariamente grande e o espaçamento é arbitrariamente pequeno, você supera esse problema de maneira inteligente. Enquanto no QCD perturbativo padrão, a natureza contínua do espaço significa que você perde a capacidade de calcular as forças de interação em pequenas distâncias, a abordagem da rede significa que há um corte no tamanho do espaçamento da rede. Quarks existem nas interseções das linhas de grade; glúons existem ao longo dos links que conectam os pontos da grade.
À medida que seu poder de computação aumenta, você pode diminuir o espaçamento da rede, o que melhora sua precisão de cálculo. Nas últimas três décadas, essa técnica levou a uma explosão de previsões sólidas, incluindo as massas de núcleos leves e as taxas de reação de fusão sob condições específicas de temperatura e energia. A massa do próton, dos primeiros princípios, agora pode ser teoricamente previsto para dentro de 2% .
À medida que o poder computacional e as técnicas Lattice QCD melhoraram ao longo do tempo, também aumentou a precisão com que várias quantidades sobre o próton, como suas contribuições de spin de componentes, podem ser calculadas. Ao reduzir o tamanho do espaçamento da rede, o que pode ser feito simplesmente aumentando o poder computacional empregado, podemos prever melhor a massa não apenas do próton, mas de todos os bárions e mésons. (LABORATÓRIO DE FÍSICA DE CLERMONT / COLABORAÇÃO ETM)
É verdade que os quarks individuais, cujas massas são determinadas por seu acoplamento ao bóson de Higgs, não podem sequer representar 1% da massa do próton. Em vez disso, é a força forte, descrita pelas interações entre os quarks e os glúons que os mediam, que são responsáveis por praticamente tudo isso.
A força nuclear forte é a interação mais poderosa em todo o Universo conhecido. Quando você entra em uma partícula como o próton, é tão poderoso que – não a massa das partículas constituintes do próton – é o principal responsável pela energia total (e, portanto, massa) da matéria normal em nosso Universo. Quarks podem ser pontuais, mas o próton é enorme em comparação: 8,4 × 10^-16 m de diâmetro. O confinamento de suas partículas componentes, que a energia de ligação da força forte faz, é o responsável por 99,8% da massa do próton.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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