Tudo o que podemos tocar, de uma pedra ao próprio corpo humano, depende da extraordinária estabilidade de partículas microscópicas. Mas uma questão fundamental permaneceu sem resposta convincente durante décadas: onde exatamente está armazenada uma propriedade que caracteriza prótons e nêutrons? Novos experimentos realizados com colisões em velocidades próximas à da luz finalmente encontraram uma pista que desafia a explicação mais simples.
Um mistério escondido dentro dos prótons
Na natureza, sistemas físicos tendem a migrar para estados de menor energia. Partículas pesadas podem decair em outras mais leves, por exemplo. Mas existe uma exceção especialmente importante para a matéria que forma o Universo: o próton.
Ele é o bárion mais leve conhecido. Bárions são partículas formadas por três quarks, categoria que também inclui os nêutrons. Até hoje, nenhum decaimento espontâneo de um próton foi observado experimentalmente.
Sua estabilidade está relacionada a uma propriedade chamada número bariônico, fundamental para distinguir matéria de antimatéria e para descrever determinadas interações entre partículas.
Durante muito tempo, a explicação convencional considerou que esse número bariônico estaria associado aos três quarks de valência encontrados dentro de prótons e nêutrons.
O problema é que existe outra possibilidade.
Proposta há aproximadamente meio século, ela coloca no centro da história não os próprios quarks, mas uma estrutura formada pelo campo de glúons, partículas responsáveis pela interação forte que mantém os quarks confinados.
Durante décadas, separar experimentalmente essas duas interpretações foi extremamente difícil. Agora, uma enorme colaboração internacional acredita ter encontrado algumas das evidências mais fortes até hoje.
Uma estrutura em forma de Y pode esconder a resposta
A hipótese alternativa envolve algo conhecido como junção bariônica.
De maneira simplificada, pode-se imaginar essa estrutura como uma configuração em forma de Y. Em suas extremidades ficam conectados os quarks de valência, enquanto os glúons participam da estrutura responsável por mantê-los ligados.
A grande dificuldade experimental estava justamente nessa proximidade.
Como as extremidades da junção estão conectadas aos quarks, grande parte dos fenômenos observáveis apresenta praticamente o mesmo comportamento independentemente de o número bariônico estar associado aos quarks ou à junção.
Por isso, durante cerca de 50 anos, os físicos não conseguiram estabelecer de maneira inequívoca qual cenário descrevia melhor a realidade.
Para tentar separar as duas possibilidades, pesquisadores da colaboração STAR recorreram a uma das ferramentas mais poderosas da física moderna: colisões de partículas em energias extraordinariamente altas.
Os experimentos foram realizados no Relativistic Heavy Ion Collider, o RHIC, acelerador localizado no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos.
E foi justamente observando o que restava depois dessas colisões que uma diferença importante começou a aparecer.
Colisões quase à velocidade da luz revelaram uma pista
Os pesquisadores analisaram diferentes tipos de colisões, incluindo experimentos envolvendo núcleos isóbaros de rutênio e zircônio.
A estratégia permitia comparar o transporte do número bariônico com o da carga elétrica.
Essa diferença é fundamental porque os quarks de valência possuem carga elétrica, enquanto a junção bariônica não.
Se as duas propriedades fossem transportadas pelos mesmos componentes, seria esperado um comportamento relativamente semelhante durante as colisões. Mas os resultados apontaram para outra direção.
Os bárions conseguiram avançar mais pela região extremamente quente e energética criada no choque do que a carga elétrica.
Uma interpretação possível é que o número bariônico esteja sendo transportado por algo que não sofre a mesma desaceleração experimentada pelos quarks eletricamente carregados.
E esse comportamento é compatível com a junção bariônica.
Os cientistas também analisaram colisões fotonucleares envolvendo núcleos de ouro. Nesse caso, fótons interagem com os núcleos em velocidades relativísticas.
Como os fótons não possuem número bariônico, qualquer excesso de bárions encontrado nos detritos da colisão necessariamente deve ter origem no núcleo de ouro.
Dois experimentos apontaram para a mesma direção
Os resultados das colisões fotonucleares também favoreceram modelos baseados na junção bariônica.
Quando os pesquisadores compararam os dados experimentais com diferentes simulações computacionais, a interpretação tradicional baseada exclusivamente nos quarks de valência encontrou dificuldades para reproduzir o comportamento observado.
Já modelos que incorporam a junção formada pelo campo de glúons permaneceram qualitativamente compatíveis com os resultados.
Isso não significa, entretanto, que o mistério esteja definitivamente resolvido.
Em uma análise publicada junto ao estudo, o físico Wenliang Li, da Universidade Estadual do Mississippi, destacou que as novas medições oferecem indícios importantes de que os glúons podem participar do transporte do número bariônico.
Mas os experimentos ainda não constituem uma medição direta e completamente controlada do mecanismo responsável pelo fenômeno.
Em outras palavras, a velha explicação perdeu força, enquanto uma hipótese proposta nos anos 1970 ganhou algumas de suas melhores evidências experimentais. Ainda serão necessários novos testes para estabelecer exatamente o que acontece dentro dessas partículas.
A descoberta pode tocar um dos maiores mistérios do Universo
A importância dessa discussão ultrapassa bastante a estrutura interna dos prótons.
Determinar onde está localizado e como é transportado o número bariônico pode ajudar os físicos a compreender melhor como a interação forte organiza a matéria estável.
E existe uma questão ainda maior por trás disso.
O Universo observável é dominado pela matéria, embora os modelos cosmológicos indiquem que matéria e antimatéria deveriam ter surgido em quantidades semelhantes durante os primeiros instantes após o Big Bang.
Se ambas tivessem permanecido perfeitamente equilibradas, teriam se aniquilado em grande escala. Ainda assim, alguma assimetria permitiu que matéria suficiente sobrevivesse para formar estrelas, planetas, galáxias e, eventualmente, seres humanos.
Compreender profundamente o comportamento do número bariônico pode oferecer novas pistas para investigar essa diferença fundamental.
O próximo capítulo deverá envolver colisões ainda mais precisas. Entre os instrumentos aguardados está o futuro Electron-Ion Collider, também planejado pelo Laboratório Nacional de Brookhaven.
Por enquanto, a conclusão é provocadora: depois de meio século de dúvidas, os resultados disponíveis favorecem justamente a estrutura que durante décadas permaneceu extremamente difícil de testar.
E aquilo que realmente ajuda a explicar como a matéria permanece organizada pode estar menos nos quarks isoladamente e mais na extraordinária arquitetura invisível que existe entre eles.
[Fonte: Science alert]
