Misterioso fenômeno quântico nos permite espiar o interior do coração de um átomo: WebCuriosos

Agitando-se silenciosamente no coração de cada átomo do Universo está um vento rodopiante de partículas que a física anseia por compreender.

Nenhuma sonda, nenhum microscópio e nenhuma máquina de raios X podem esperar dar sentido ao borrão caótico das engrenagens quânticas girando dentro de um átomo, deixando os físicos teorizarem o melhor que puderem com base nos detritos de colisões de alta velocidade dentro dos colisores de partículas.

Os investigadores têm agora uma nova ferramenta que já lhes proporciona uma pequena visão dos protões e neutrões que formam os núcleos dos átomos, baseada no emaranhado de partículas produzidas à medida que os átomos de ouro passam uns pelos outros a alta velocidade.

Usando o poderoso Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, os cientistas mostraram como é possível obter detalhes precisos sobre o arranjo dos prótons e nêutrons do ouro usando um tipo de interferência quântica nunca antes vista em um experimento. .

“Essa técnica é semelhante à maneira como os médicos usam a tomografia por emissão de pósitrons (PET scan) para ver o que está acontecendo dentro do cérebro e em outras partes do corpo”, disse ele. diz o físico James Daniel Brandenburg, ex-pesquisador de Brookhaven e agora membro da colaboração STAR.

“Mas, neste caso, estamos falando de mapear características na escala de femtômetros – quatrilionésimos de metro – do tamanho de um próton individual.”

Em termos de livro didático, a anatomia de um próton pode ser descrita como um trio de blocos de construção fundamentais chamados quarks, unidos pela troca de uma partícula portadora de força chamada glúon.

Se ampliássemos o zoom e observássemos essa colaboração em primeira mão, não veríamos nada tão legal. Partículas e antipartículas surgem e desaparecem numa espuma fervilhante de loucura estatística, onde as regras sobre distribuição de partículas são tudo menos consistentes.

Colocar restrições nos movimentos e momentos dos quarks e glúons requer um raciocínio inteligente, mas evidências concretas são o que os físicos realmente desejam.

Infelizmente, simplesmente iluminar um próton não resultará em um instantâneo de suas partes móveis. Os fótons e os glúons seguem regras muito diferentes, o que significa que são efetivamente invisíveis uns para os outros.

Há uma lacuna, no entanto. Imbuídas de energia suficiente, as ondas de luz podem ocasionalmente produzir pares de partículas que ficam à beira da existência antes de desaparecerem novamente, entre as quais estão os quarks e os antiquarks.

Se esse surgimento espontâneo ocorrer ao alcance da voz do núcleo de um átomo, a cintilação poltergeist dos quarks opostos poderia se misturar com as rajadas rodopiantes de glúons e formar temporariamente um conglomerado conhecido como partícula rhoqual em uma fração de segundo se quebra em um par de partículas carregadas chamadas peões.

Esses pares consistem em um píon positivo, composto por um quark up e um antiquark down, e um píon negativo composto por um quark down e um antiquark up.

Traçar o caminho e as propriedades dos píons formados dessa maneira pode nos dizer algo sobre o ninho de vespas onde ele nasceu.

Alguns anos atráspesquisadores do RHIC descobriram que era possível usar os campos eletromagnéticos que cercam os átomos de ouro que se movem em alta velocidade como fonte de fótons.

“Nesse trabalho anterior, demonstramos que esses fótons são polarizados, com seu campo elétrico irradiando para fora do centro do íon,” diz Físico de Brookhaven, Zhangbu Xu.

“E agora usamos essa ferramenta, a luz polarizada, para obter imagens eficazes dos núcleos em alta energia.”

Quando dois átomos de ouro mal conseguem se chocar enquanto circulam o colisor em direções opostas, os fótons de luz que passam por cada núcleo podem dar origem a uma partícula rho e, portanto, a pares de píons carregados.

Os físicos mediram os píons ejetados dos núcleos de ouro que passavam e mostraram que eles realmente tinham cargas opostas. Uma análise das propriedades ondulatórias da chuva de partículas mostrou sinais de interferência que poderiam ser atribuídos à polarização da luz e sugeriram algo muito menos esperado.

Em configurações quânticas experimentais e aplicadas típicas, o emaranhamento é observado entre os mesmos tipos de partículas: elétrons com elétrons, fótons com fótons e átomos com átomos.

Os padrões de interferência observados na análise das partículas produzidas neste experimento só poderiam ser explicados pelo emaranhamento de partículas não idênticas – um píon com carga negativa com um píon com carga positiva.

Embora longe de ser uma anomalia teórica, está longe de ser uma ocorrência cotidiana no laboratório, equivalendo ao primeira observação experimental de emaranhamento envolvendo partículas diferentes.

Rastreando os padrões de interferência emaranhados até os núcleos de ouro, os físicos puderam traçar um retrato bidimensional de sua distribuição de glúons, fornecendo novos insights sobre as estruturas das partículas nucleares.

“Agora podemos tirar uma foto onde podemos realmente distinguir a densidade dos glúons em um determinado ângulo e raio,” diz Brandemburgo.

“As imagens são tão precisas que podemos até começar a ver a diferença entre onde estão os prótons e onde os nêutrons estão dispostos dentro desses grandes núcleos”.

Esta pesquisa foi publicada em Avanços da Ciência.