Grande experimento dá o primeiro vislumbre da estrutura interna de um nêutron: WebCuriosos
Uma experiência em preparação há mais de 10 anos proporcionou o primeiro vislumbre do furacão de partículas que giram dentro de partículas subatómicas chamadas neutrões, estabelecendo as bases para resolver um mistério profundo no coração da matéria.
Os dados do Detector Central de Nêutrons do Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) do Departamento de Energia dos EUA já estão desempenhando um papel na descrição do mapa quântico do motor de nêutrons.
“É um resultado muito importante para o estudo dos núcleons”, diz Silvia Niccolai, diretora de pesquisa do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica.
O que consideramos o núcleo de um átomo é uma colméia de partículas ainda menores, chamadas quarks, que lutam contra uma troca pegajosa de glúons. Sempre que dois quarks de um sabor chamado “up” estiverem ligados a um sabor chamado “down”, você encontrará um próton. Faça dois quarks down e um único up, você terá um nêutron.
Descrever trios de quarks dessa maneira faz com que pareçam tão organizados quanto ovos em uma caixa. Na verdade, a sua existência é tudo menos arranjada de forma conveniente, com uma tempestade caótica de partículas e antipartículas existentes e não existentes na competição quântica.
Para compreender as distribuições e os movimentos dos enxames de quarks nas suas cadeias de gluões, os físicos tradicionalmente disparam electrões sobre partículas nucleares e observam como as pequenas balas ricocheteiam. Para facilitar a descrição dos resultados desses experimentos, os teóricos referem-se às unidades de quarks e glúons operando sob estruturas quânticas distintas como vamos embora.
Nas últimas décadas, experimentos com aceleradores de partículas de alta energia usando o Espectrômetro de Grande Aceitação CEBAF e sua atualização no TJNAF decifraram o quebra-cabeça parton do próton, resolvendo mistérios que incluem uma discrepância confusa entre a massa e o tamanho do núcleon.
Os nêutrons têm sido mais difíceis de quebrar, lançando seus estilhaços de elétrons em ângulos além do alcance do detector do espectrômetro.
“Na configuração padrão, não houve detecção possível de nêutrons nesses ângulos”, diz Nicolau.
Em 2011, a construção de um novo detector começou em colaboração com o CNRS, que acabou sendo instalado em 2017, antes de ser testado em execuções experimentais iniciais em 2019 e 2020.
Longe de ser uma navegação tranquila, o desenho do experimento permitiu que prótons ocasionais entrassem furtivamente e contaminassem os resultados. Somente depois de alguma limpeza de um filtro de aprendizado de máquina projetado especificamente os números poderiam finalmente ser aplicados a modelos teóricos sobre a atividade de nêutrons.
O primeiro estudo a fazer uso dos dados colocou restrições muito necessárias em uma das distribuições menos compreendidas de pártons em nêutrons, conhecida como distribuição generalizada de pártons (GPD) E.
Ao comparar os resultados do experimento com dados anteriores sobre prótons, os pesquisadores usaram as diferenças nos quarks para distinguir uma característica matemática significativa do GPD E de um modelo semelhante.
“O GPD E é muito importante porque pode nos fornecer informações sobre a estrutura de spin dos núcleons,” diz Nicolau.
Spin no sentido quântico encapsula uma qualidade semelhante a momento angular em nosso mundo cotidiano. Medições anteriores dos spins dos quarks que compõem os prótons e nêutrons descobriram que essas características contribuem com não mais do que cerca de 30% do spin total do núcleon, levando ao chamado crise de rotação.
Exatamente de onde vem a fração restante, seja de interações com glúons ou algum outro comportamento menos compreendido, é uma questão que experimentos futuros poderiam finalmente resolver.
É quase certo que ter um meio de comparar com precisão os motores gêmeos em chamas no coração dos átomos levará a novos insights fascinantes sobre a mecânica quântica.
Esta pesquisa está publicada em Cartas de revisão física.
