O estudo das velocidades do quark encontra uma solução para um mistério da física de 35 anos
O número de pares próton-nêutron determina a velocidade com que as partículas se movem, sugerem os resultados.
Uma visão geral da sala de controle ALICE (A Large Ion Collider Experiment) com a equipe monitorando as telas durante um tour pelos bastidores do CERN, o maior laboratório de física de partículas do mundo. (Foto de Dean Mouhtaropoulos / Getty Images)Jennifer Chu | MIT News Office
20 de fevereiro de 2019
Os físicos do MIT agora têm uma resposta para uma pergunta da física nuclear que intrigou os cientistas por três décadas: por que os quarks se movem mais lentamente dentro de átomos maiores?
Quarks, junto com glúons, são os blocos de construção fundamentais do universo. Essas 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, portanto, presumiram que um quark deveria ser alegremente indiferente às características dos prótons e nêutrons e do átomo em geral, no qual ele reside.
Mas em 1983, físicos do CERN, como parte da European Muon Collaboration (EMC), observaram pela primeira vez o que seria conhecido como o efeito EMC: no núcleo de um átomo de ferro contendo muitos prótons e nêutrons, os quarks se movem significativamente mais lentamente do que os quarks no deutério, que contém um único próton e nêutron. Desde então, os físicos encontraram mais evidências de que quanto maior o núcleo de um átomo, mais lentos são os quarks que se movem dentro dele.
“As pessoas têm vasculhado seus cérebros há 35 anos, tentando explicar por que esse efeito acontece ', diz Or Hen, professor assistente de física do MIT.
Agora Hen, Barak Schmookler e Axel Schmidt, um estudante de graduação e pós-doutorado no Laboratório de Ciência Nuclear 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 correlacionados de curto alcance no núcleo de um átomo. Quanto mais pares houver no 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 formar pares constantemente, mas apenas momentaneamente, antes de se separarem e seguirem caminhos separados. Durante essa breve interação de alta energia, ele acredita que os quarks em suas respectivas partículas podem ter um “espaço maior para jogar”.
“Na mecânica quântica, sempre que você aumenta o volume sobre o qual um objeto está confinado, ele diminui a velocidade”, diz Schmidt. “Se você restringir o espaço, ele acelera. Isso é um fato conhecido. '
Como os átomos com núcleos maiores intrinsecamente têm mais prótons e nêutrons, também é mais provável que tenham um número maior de pares próton-nêutrons, também conhecidos como pares “correlacionados de curto alcance” ou SRC. Portanto, a equipe conclui que quanto maior o átomo, mais pares provavelmente ele conterá, resultando em quarks de movimentação mais lenta naquele átomo específico.
Schmookler, Schmidt e Hen, como membros da Colaboração CLAS no Thomas Jefferson National Accelerator Facility, publicaram seus resultados hoje na revista Natureza .
De uma sugestão a uma imagem completa
Em 2011, Hen e colaboradores, que concentraram grande parte de suas pesquisas em pares SRC, se perguntaram se esse acoplamento efêmero tinha algo a ver com o efeito EMC e a velocidade dos quarks em núcleos atômicos.
Eles coletaram dados de vários experimentos com aceleradores de partículas, alguns dos quais mediram o comportamento de 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 SRC havia e mais lentos os quarks medidos. O maior núcleo nos dados - ouro - continha quarks que se moviam 20% mais lentamente do que aqueles no menor núcleo medido, o hélio.
“Esta foi a primeira vez que essa conexão foi concretamente sugerida ', diz Hen. “Mas tivemos que fazer um estudo mais detalhado para construir uma imagem física completa. '
Então, ele e seus colegas analisaram dados de um experimento que comparou átomos de tamanhos diferentes e permitiu medir a velocidade dos quarks e o número de pares SRC no núcleo de cada átomo. O experimento foi realizado no CEBAF Large Acceptance Spectrometer, ou detector CLAS, um enorme acelerador de partículas esféricas de quatro andares no Laboratório Nacional Thomas Jefferson em Newport News, Virgínia.
Dentro do detector, Hen descreve a configuração do alvo da equipe como 'uma espécie de Frankenstein', com braços mecânicos, cada um segurando uma folha fina feita de um material diferente, como carbono, alumínio, ferro e chumbo, cada um feito a partir de átomos contendo 12, 27, 67 e 208 prótons e nêutrons, respectivamente. Um vaso adjacente continha deutério líquido, com átomos contendo o menor número de prótons e nêutrons do grupo.
Quando eles queriam estudar uma folha em particular, eles enviaram um comando ao braço relevante para abaixar a folha de interesse, seguindo a célula de deutério e diretamente no caminho do feixe de elétrons do detector. Este feixe disparou elétrons na célula de deutério e na folha sólida, a uma taxa de vários bilhões de elétrons por segundo. Enquanto a grande maioria dos elétrons erram os alvos, alguns acertam os prótons ou nêutrons dentro do núcleo, ou os próprios quarks muito menores. Quando eles atingem, os elétrons se espalham amplamente, e os ângulos e energias em que eles se espalham variam dependendo do que eles atingem - informações que o detector captura.
Sintonia 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 depois que ele se espalhou, em seguida, compararam a velocidade média do quark entre os vários átomos.
Observando ângulos de dispersão muito menores, correspondendo a transferências de momento de um comprimento de onda diferente, a equipe foi capaz de “diminuir o zoom” para que os elétrons se dispersassem dos prótons e nêutrons maiores, em vez de quarks. Os pares SRC são tipicamente extremamente energéticos e, portanto, espalhariam elétrons em energias mais altas do que prótons e nêutrons desemparelhados, que é uma distinção que os pesquisadores usaram para detectar pares SRC em cada material que estudaram.
“Vemos que esses pares de alto momentum são a razão para esses quarks de movimento lento”, diz Hen.
Em particular, eles descobriram que os quarks em folhas com núcleos atômicos maiores (e mais pares de prótons-nêutrons) se moviam no máximo 20% mais devagar do que o deutério, o material com o menor número de pares.
“Esses pares de prótons e nêutrons têm essa interação maluca 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 núcleos têm uma sobreposição espacial significativa. Portanto, achamos que os quarks neste estado ficam muito lentos. '
Seus dados mostram pela primeira vez que a velocidade de redução de um quark depende do número de pares SRC em um núcleo atômico. Os quarks em chumbo, por exemplo, eram muito mais lentos do que os de alumínio, que por sua vez eram mais lentos que o ferro e assim por diante.
A equipe está agora projetando um experimento no 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, pois a maneira como os quarks mudam sua velocidade dentro dos pares é a mesma no carbono e no chumbo, e deve ser universal entre os núcleos ', diz Schmidt.
Em última análise, 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 partículas minúsculas vêm para construir os prótons e nêutrons que então se juntam para formar os átomos individuais que compõem todo o material que vemos no universo.
“Entender como os quarks interagem é realmente a essência da compreensão da matéria visível no universo ', diz Hen. “Este efeito EMC, embora de 10 a 20 por cento, 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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Reproduzido com permissão de MIT News
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