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De onde vem a massa de um próton?

Um modelo da estrutura interna de um próton e os campos de atendimento. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Se você acha que pode apenas somar seus componentes, você está 99% a menos!

A resistência à massa organizada só pode ser efetivada pelo homem que está tão bem organizado em sua individualidade quanto a própria massa. – Carl Young

Se você dividir as partículas que compõem seu corpo em pedaços cada vez menores, descobrirá que a cada passo ao longo do caminho – pelo menos em termos de massa – o todo é igual à soma de suas partes. Se você dividisse seu corpo em ossos, gordura e órgãos individuais, eles se somariam a um ser humano inteiro. Se você as dividisse ainda mais, em células, novamente, as células ainda somariam a mesma massa que você. As células podem ser divididas em organelas, organelas divididas em moléculas individuais, moléculas em átomos e átomos em prótons, nêutrons e elétrons. Nesse nível, há um minúsculo mas diferença notável: os prótons, nêutrons e elétrons individuais estão afastados em cerca de 1% de um humano, graças à energia de ligação nuclear.

O núcleo de um átomo de carbono tem uma massa aproximadamente 0,8% menor do que os prótons e nêutrons individuais que o compõem, graças à energia de ligação nuclear. Crédito da imagem: Delia Walsh de http://slideplayer.com/slide/6002405/ .

Um átomo de carbono, composto de seis prótons e seis nêutrons, é aproximadamente 0,8% mais leve do que as partículas componentes individuais que o 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 normal e gigante vermelha, e a massa perdida é de onde vem essa energia, graças ao Einstein E = mc^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 três quarks diferentes no coração deles – suas massas combinadas são de apenas 1 % da massa do próton como um todo.

As partículas do modelo padrão, com massas (em MeV) no canto superior direito. Um próton, composto de dois quarks up e um quark down, tem uma massa de ~938 MeV/c^2. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, sob uma licença não portada c.c.a.-3.0.

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.

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, o outro 99,0% da massa do próton , vem desses glúons.

Em vez de três quarks verdes (valência) principais conectados por glúons (tipo mola), a estrutura do próton é muito mais complicada, com quarks e glúons adicionais (mar) povoando o interior do próton. Crédito da imagem: o síncrotron de elétrons alemão (DES) e as colaborações HERA e ZEUS.

Por causa de como a força nuclear forte funciona, existem grandes incertezas sobre onde esses glúons estão realmente localizados em qualquer momento. Atualmente temos um modelo sólido de média densidade de glúons dentro de um próton, mas se quisermos saber onde é mais provável que os glúons estejam 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.

A estrutura interna de um próton, com quarks, glúons e spin de quarks mostrados. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Quando você colide duas partículas como prótons, um próton e um íon pesado, ou dois íons pesados ​​juntos, você não pode simplesmente modelá-los como colisões próton-próton. Em vez disso, você vê uma distribuição de três tipos de colisões: colisões quark-quark, colisões quark-gluon ou colisões glúon-gluon. São os componentes dentro dessas partículas subatômicas que realmente colidem, e não as estruturas inteiras (os prótons) em si. Enquanto em energias mais baixas, quase sempre são quarks que colidem, as energias mais altas alcançadas pelo RHIC, o Relativistic Heavy Ion Collider, em Brookhaven e pelo LHC no CERN, têm uma probabilidade muito alta de interações glúon-glúon, com potencial para revelar a localização dos glúons dentro de um próton. Como Mäntysaari continuou:

Este processo não acontece se o próton sempre parece o mesmo. Quanto mais flutuações tivermos, mais provável é que esse processo aconteça.

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. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

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. . O maior benefício para esse tipo de pesquisa, no entanto, seria o desenvolvimento de um Colisor de Íons de Elétron (EIC), um colisor proposto por muitas colaborações em todo o mundo. Ao contrário do RHIC ou do LHC, que colidem prótons com íons – resultando em um sinal final muito confuso – um EIC seria muito mais controlado, pois não há movimentos internos incontroláveis ​​dentro de um elétron para confundir os resultados experimentais.

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. Crédito da imagem: Grupo eRHIC do Brookhaven National Laboratory-CAD.

Se você quiser estudar a estrutura interna de um próton ou uma coleção de núcleos, o espalhamento inelástico profundo é o único caminho a percorrer. Considerando que os colisores começaram essa jornada há menos de um século e que agora estamos alcançando energias aproximadamente 10.000 maiores do que quando começamos, sondar e entender exatamente como a matéria obtém sua massa pode finalmente estar ao nosso alcance. O plasma quark-glúon dentro do núcleo, e as flutuações que o acompanham, podem finalmente estar prontos para nos revelar seus segredos. E quando isso acontecer, um dos mistérios mais antigos da física, de onde vem a massa da matéria conhecida (ainda um mistério mesmo após a descoberta do Higgs), pode finalmente ceder à humanidade.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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