Dentro do próton, a 'coisa mais complicada que você poderia imaginar'

Mais de um século depois que Ernest Rutherford descobriu a partícula carregada positivamente no coração de cada átomo, os físicos ainda estão lutando para entender completamente o próton.

Os professores de física do ensino médio os descrevem como bolas sem características com uma unidade cada de carga elétrica positiva – as folhas perfeitas para os elétrons carregados negativamente que zumbem ao seu redor. Estudantes universitários aprendem que a bola é na verdade um feixe de três partículas elementares chamadas quarks. Mas décadas de pesquisa revelaram uma verdade mais profunda, bizarra demais para ser totalmente capturada com palavras ou imagens.

“Esta é a coisa mais complicada que você poderia imaginar”, disse Mike Williams, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Na verdade, você nem imagina como é complicado.”

O próton é um objeto da mecânica quântica que existe como uma névoa de probabilidades até que um experimento o force a tomar uma forma concreta. E suas formas diferem drasticamente dependendo de como os pesquisadores montam seu experimento. Conectar as muitas faces da partícula tem sido o trabalho de gerações. “Estamos apenas começando a entender esse sistema de uma maneira completa”, disse Richard Milner, um físico nuclear do MIT.

À medida que a perseguição continua, os segredos do próton continuam a desmoronar. Mais recentemente, um análise de dados monumental publicado em agosto descobriu que o próton contém traços de partículas chamadas quarks charm que são mais pesadas que o próprio próton.

O próton “tem sido humilhante para os humanos”, disse Williams. “Toda vez que você acha que tem um controle sobre isso, isso te joga algumas bolas curvas.”

Recentemente, Milner, juntamente com Rolf Ent no Jefferson Lab, os cineastas do MIT Chris Boebel e Joe McMaster, e o animador James LaPlante, decidiram transformar um conjunto de enredos misteriosos que compilam os resultados de centenas de experimentos em uma série de animações da forma -deslocamento de prótons. Incorporamos suas animações em nossa própria tentativa de desvendar seus segredos.

Quebrando o próton

A prova de que o próton contém multidões veio do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) em 1967. Em experimentos anteriores, os pesquisadores o bombardearam com elétrons e os viram ricochetear como bolas de bilhar. Mas o SLAC poderia arremessar elétrons com mais força, e os pesquisadores viram que eles se recuperavam de forma diferente. Os elétrons estavam atingindo o próton com força suficiente para quebrá-lo – um processo chamado de espalhamento inelástico profundo – e estavam se recuperando de fragmentos pontuais do próton chamados quarks. “Essa foi a primeira evidência de que os quarks realmente existem”, disse Xiao Chao Zheng, um físico da Universidade da Virgínia.

Após a descoberta do SLAC, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1990, o escrutínio do próton se intensificou. Os físicos realizaram centenas de experimentos de dispersão até hoje. Eles inferem vários aspectos do interior do objeto ajustando a força com que o bombardeiam e escolhendo quais partículas espalhadas coletam depois.

Usando elétrons de alta energia, os físicos podem descobrir características mais sutis do próton alvo. Desta forma, a energia do elétron define o poder de resolução máximo de um experimento de espalhamento inelástico profundo. Os colisores de partículas mais poderosos oferecem uma visão mais nítida do próton.

Os colisores de energia mais alta também produzem uma gama mais ampla de resultados de colisão, permitindo que os pesquisadores escolham diferentes subconjuntos dos elétrons de saída para analisar. Essa flexibilidade provou ser a chave para entender os quarks, que se movem dentro do próton com diferentes quantidades de momento.

Ao medir a energia e a trajetória de cada elétron espalhado, os pesquisadores podem dizer se ele resvalou em um quark carregando uma grande parte do momento total do próton ou apenas um pingo. Através de colisões repetidas, eles podem fazer algo como um censo – determinando se o momento do próton está principalmente ligado a alguns quarks ou distribuído por muitos.

Mesmo as colisões de divisão de prótons do SLAC foram suaves para os padrões atuais. Nesses eventos de dispersão, os elétrons geralmente disparavam de maneiras que sugeriam que haviam colidido com quarks carregando um terço do momento total do próton. A descoberta corresponde a uma teoria de Murray Gell-Mann e George Zweig, que em 1964 postularam que um próton consiste em três quarks.

O “modelo quark” de Gell-Mann e Zweig continua sendo uma maneira elegante de imaginar o próton. Ele tem dois quarks “up” com cargas elétricas de +2/3 cada e um quark “down” com carga de -1/3, para uma carga total de prótons de +1.

Mas o modelo dos quarks é uma simplificação excessiva que tem sérias deficiências.

Ele falha, por exemplo, quando se trata do spin de um próton, uma propriedade quântica análoga ao momento angular. O próton tem meia unidade de spin, assim como cada um de seus quarks up e down. Os físicos inicialmente supuseram que - em um cálculo que ecoa a aritmética de carga simples - as meias unidades dos dois quarks up menos a do quark down devem ser iguais a meia unidade para o próton como um todo. Mas em 1988, a European Muon Collaboration relatado que os spins dos quarks somam muito menos da metade. Da mesma forma, as massas de dois quarks up e um quark down compreendem apenas cerca de 1% da massa total do próton. Esses déficits levaram a um ponto que os físicos já estavam começando a apreciar: o próton é muito mais do que três quarks.

Muito mais do que três quarks

O Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), que operou em Hamburgo, Alemanha, de 1992 a 2007, bateu elétrons em prótons com cerca de mil vezes mais força do que o SLAC. Nos experimentos HERA, os físicos puderam selecionar elétrons que haviam ricocheteado em quarks de momento extremamente baixo, incluindo aqueles que carregavam apenas 0.005% do momento total do próton. E os detectaram: os elétrons do HERA se recuperaram de um turbilhão de quarks de baixo momento e seus equivalentes de antimatéria, antiquarks.

Os resultados confirmaram uma teoria sofisticada e estranha que havia substituído o modelo de quarks de Gell-Mann e Zweig. Desenvolvido na década de 1970, era uma teoria quântica da “força forte” que atua entre os quarks. A teoria descreve os quarks como sendo amarrados por partículas portadoras de força chamadas glúons. Cada quark e cada glúon tem um dos três tipos de carga de “cor”, rotulados como vermelho, verde e azul; essas partículas carregadas de cor naturalmente se puxam umas às outras e formam um grupo - como um próton - cujas cores se somam a um branco neutro. A teoria colorida ficou conhecida como cromodinâmica quântica, ou QCD.

De acordo com o QCD, os glúons podem captar picos momentâneos de energia. Com essa energia, um glúon se divide em um quark e um antiquark – cada um carregando um pouco de momento – antes que o par se aniquile e desapareça. Picos de energia menores produzem pares de quarks com menor momento, que vivem vidas mais curtas. É esse “mar” de glúons, quarks e antiquarks que o HERA, com sua maior sensibilidade a partículas de menor momento, detectou em primeira mão.

O HERA também captou dicas de como seria o próton em colisores mais poderosos. À medida que os físicos ajustaram o HERA para procurar quarks de menor momento, esses quarks – que vêm de glúons – apareceram em números cada vez maiores. Os resultados sugeriram que em colisões de energia ainda mais alta, o próton apareceria como uma nuvem composta quase inteiramente de glúons.

O glúon dente-de-leão é exatamente o que o QCD prevê. “Os dados HERA são uma prova experimental direta de que QCD descreve a natureza”, disse Milner.

Mas a vitória da jovem teoria veio com uma pílula amarga: enquanto o QCD descreveu lindamente a dança de quarks e glúons de vida curta revelada pelas colisões extremas do HERA, a teoria é inútil para entender os três quarks de longa duração vistos no bombardeio suave do SLAC.

As previsões do QCD são fáceis de entender apenas quando a força forte é relativamente fraca. E a força forte enfraquece apenas quando os quarks estão extremamente próximos, como eles estão em pares quark-antiquark de curta duração. Frank Wilczek, David Gross e David Politzer identificaram essa característica definidora da QCD em 1973, ganhando o Prêmio Nobel por isso 31 anos depois.

Mas para colisões mais suaves como as do SLAC, onde o próton age como três quarks que mantêm distância entre si, esses quarks puxam uns aos outros com força suficiente para que os cálculos de QCD se tornem impossíveis. Assim, a tarefa de desmistificar ainda mais a visão de três quarks do próton caiu em grande parte para os experimentalistas. (Pesquisadores que realizam “experimentos digitais”, nos quais as previsões de QCD são simuladas em supercomputadores, também fizeram principais contribuições.) E é nessa imagem de baixa resolução que os físicos continuam encontrando surpresas.

Uma Nova Visão Encantadora

Recentemente, uma equipe liderada por Juan Rojo do Instituto Nacional de Física Subatômica da Holanda e da Universidade VU de Amsterdã analisaram mais de 5,000 instantâneos de prótons tirados nos últimos 50 anos, usando aprendizado de máquina para inferir os movimentos de quarks e glúons dentro do próton de uma maneira que evita suposições teóricas.

 O novo escrutínio detectou um desfoque de fundo nas imagens que escaparam de pesquisadores anteriores. Em colisões relativamente suaves, apenas quebrando o próton, a maior parte do momento foi travada nos três quarks usuais: dois ups e um down. Mas uma pequena quantidade de momento parecia vir de um quark “charm” e um antiquark charme – partículas elementares colossais que superam o próton inteiro em mais de um terço.

Encantos de curta duração freqüentemente aparecem na visão do “mar de quarks” do próton (glúons podem se dividir em qualquer um dos seis tipos diferentes de quarks se tiverem energia suficiente). Mas os resultados de Rojo e colegas sugerem que os encantos têm uma presença mais permanente, tornando-os detectáveis ​​em colisões mais suaves. Nessas colisões, o próton aparece como uma mistura quântica, ou superposição, de múltiplos estados: um elétron geralmente encontra os três quarks leves. Mas ocasionalmente encontrará uma “molécula” mais rara de cinco quarks, como um quark up, down e charm agrupado de um lado e um quark up e antiquark charm do outro.

Esses detalhes sutis sobre a composição do próton podem ter consequências. No Grande Colisor de Hádrons, os físicos procuram novas partículas elementares colidindo prótons de alta velocidade e vendo o que aparece; para entender os resultados, os pesquisadores precisam saber o que há em um próton para começar. A aparição ocasional de quarks charm gigantes jogue fora as probabilidades de fazer partículas mais exóticas.

E quando prótons chamados raios cósmicos são lançados aqui do espaço sideral e colidem com prótons na atmosfera da Terra, quarks charm aparecendo nos momentos certos inundariam a Terra com neutrinos extra-energéticos, os pesquisadores calcularam em 2021. Isso pode confundir os observadores pesquisar para neutrinos de alta energia vindos de todo o cosmos.

A colaboração de Rojo planeja continuar explorando o próton procurando um desequilíbrio entre quarks charm e antiquarks. E constituintes mais pesados, como o quark top, podem fazer aparições ainda mais raras e difíceis de detectar.

Experimentos de próxima geração buscarão recursos ainda mais desconhecidos. Físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven esperam acionar o Colisor de Elétron-Íons na década de 2030 e continuar de onde HERA parou, tirando instantâneos de alta resolução que permitirão as primeiras reconstruções 3D do próton. O EIC também usará elétrons giratórios para criar mapas detalhados dos spins dos quarks e glúons internos, assim como o SLAC e o HERA mapearam seus momentos. Isso deve ajudar os pesquisadores a finalmente identificar a origem do spin do próton e a abordar outras questões fundamentais sobre a partícula desconcertante que compõe a maior parte do nosso mundo cotidiano.