os campos correspondentes. Crédito da imagem: Laboratório Nacional Brookhaven.
Se você dividisse as partículas que compõem seu corpo em pedaços cada vez menores, você descobriria que a cada passo no caminho – pelo menos em termos de massa – o todo era igual à soma de suas partes. Se você dividisse seu corpo em ossos individuais, gordura e órgãos, eles se somariam a um ser humano inteiro. Se você os quebrou ainda mais, em células, novamente, as células ainda somariam a mesma massa que você. As células podem ser divididas em organelas, organelas quebradas em moléculas individuais, moléculas em átomos, e átomos em prótons, nêutrons e elétrons. A esse nível, há uma pequena mas notável diferença: os prótons, nêutrons e elétrons individuais estão desligados por direito em torno de 1% de um humano, graças à energia de ligação nuclear.
aproximadamente 0,8% abaixo dos 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 por seis prótons e seis nêutrons, é aproximadamente 0,8% mais leve que as partículas componentes individuais que o compõem. A forma como o carbono é formado é através da fusão nuclear do hidrogénio em hélio e depois do hélio em carbono; a energia libertada é o que alimenta a maioria dos tipos de estrelas, tanto na sua fase normal como na fase gigante vermelha, e a “massa perdida” é de onde vem essa energia, graças ao E = mc2 de Einstein. É assim que a maioria dos tipos de energia de ligação funciona: a razão pela qual é mais difícil separar várias coisas que estão ligadas entre si é porque libertaram energia quando foram unidas, e você tem de colocar energia para libertá-las novamente.
Por isso é que é um facto tão intrigante que quando se olha para as partículas que compõem o próton – os três diferentes quarks no coração deles – as suas massas combinadas são apenas 0,2% da massa do próton como um todo.
(em MeV) no canto superior direito. Um próton, composto por dois quarks acima e um abaixo, tem uma massa de ~938 MeV/c^2. Crédito de imagem: Utilizador do Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, sob uma licença c.c.a.-3.0 não exportada.
A forma como os quarks se ligam aos prótons é fundamentalmente diferente de todas as outras forças e interacções que conhecemos. Em vez da força ficar mais forte quando os objectos se aproximam – como as forças gravitacionais, eléctricas ou magnéticas – a força atractiva desce a zero quando os quarks se aproximam arbitrariamente. E em vez da força ficar mais fraca quando os objectos se afastam, a força a puxar os quarks para trás fica mais forte quanto mais longe se afastam.
Esta propriedade da força nuclear forte é conhecida como liberdade assimptótica, e as partículas que medeiam esta força são conhecidas como gluões. De alguma forma, a energia que une o próton, os outros 99,8% da massa do próton, vem destes gluões.
ligados por gluões (tipo mola), a estrutura do próton é muito mais complicada, com quarks adicionais (marinhos) e gluões povoando o interior do próton. Crédito da imagem: o German Electron Synchrotron (DES), e as colaborações HERA e ZEUS.
Por causa de como funciona a forte força nuclear, existem grandes incertezas quanto à localização real destes gluões em qualquer ponto do tempo. Atualmente temos um modelo sólido da densidade média de gluões dentro de um próton, mas se quisermos saber onde os gluões estão realmente mais provavelmente localizados, isso requer mais dados experimentais, assim como melhores modelos para comparar os dados. Avanços recentes dos teóricos Björn Schenke e Heikki Mäntysaari podem ser capazes de fornecer esses modelos tão necessários. Como Mäntysaari detalhou:
Sabe-se muito bem o tamanho da densidade média de glúon dentro de um próton. O que não é conhecido é exatamente onde os gluões estão localizados dentro do próton. Nós modelamos os gluões como localizados ao redor dos três quarks. Depois controlamos a quantidade de flutuações representadas no modelo definindo o tamanho das nuvens de gluões, e a distância entre elas.
gluões, e a rotação dos quarks mostrada. Crédito da imagem: Laboratório Nacional 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-protões. Ao invés disso, você vê uma distribuição de três tipos de colisões: colisões quark-quark, colisões quark-gluon ou colisões gluon-gluon. São os componentes dentro dessas partículas subatômicas que realmente colidem, ao invés das estruturas inteiras (os prótons) em si. Enquanto em energias mais baixas, são quase sempre os quarks que colidem, as energias mais altas alcançadas pelo RHIC, o Colisor Relativista de Íons Pesados, em Brookhaven e pelo LHC no CERN têm uma probabilidade muito alta de interações glúon-gluon, com o potencial de revelar a localização dos glúons dentro do próprio próton. Como Mäntysaari continuou:
Este processo não acontece de todo se o protão parecer sempre o mesmo. Quanto mais flutuações tivermos, maior a probabilidade deste processo acontecer.
de um próton, incluindo a forma como os quarks e gluões “marinhos” são distribuídos, tem sido alcançado através de melhorias experimentais e novos desenvolvimentos teóricos em tandem. Crédito da imagem: Laboratório Nacional Brookhaven.
A combinação deste novo modelo teórico com os dados de LHC cada vez melhores permitirá aos cientistas compreender melhor a estrutura interna e fundamental dos protões, neutrões e núcleos em geral, e assim compreender de onde vem a massa dos objectos conhecidos no Universo. A maior vantagem deste tipo de pesquisa, no entanto, seria o desenvolvimento de um Colisor de íons eletrônicos (EIC), um colisor proposto por muitas colaborações em todo o mundo. Ao contrário do RHIC ou do LHC, que colide prótons com íons – resultando em um sinal final muito confuso – um EIC seria muito mais controlado, pois não há movimentos internos e incontroláveis dentro de um elétron para confundir os resultados experimentais.
collider (EIC). Adicionar um anel de elétron (vermelho) ao Colisor de íons pesados relativista (RHIC) na Brookhaven criaria o eRHIC. Crédito da imagem: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group.
Se você quiser estudar a estrutura interna de um próton ou coleção de núcleos, a dispersão inelástica profunda é o único caminho a seguir. Considerando que os colididores 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 de quark-gluon dentro do núcleo, e as flutuações que o acompanham, podem finalmente estar prontos para nos revelar seus segredos. E quando o fizer, um dos mistérios mais antigos da física, de onde vem a massa da matéria conhecida (ainda um mistério mesmo após a descoberta dos Higgs), pode finalmente ceder à humanidade.
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