Experimento de décadas encontra mistura estranha de antimatéria no coração de cada próton

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Créditos: Eugene Mymrin / Moment / Getty Images.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

Como se fossem as menores bonecas matryoshka do Universo, os átomos são tipicamente modelados como partículas dentro de partículas – um núcleo formado por prótons e nêutrons, que, por sua vez, contêm trios de partículas fundamentais chamadas quarks.

Por mais conveniente que essa simples metáfora possa ser, o motor quântico operando dentro dessas partículas subatômicas é um registro incompreensível da economia quântica: quarks e antiquarks se somando e se cancelando, mas nunca se equilibrando.

No início da década de 1990, os físicos fragmentaram prótons a fim de colocar mais algumas dessas partículas elementares nessa colmeia de quarks em atividade, apenas para descobrir que o equilíbrio que esperavam estava estranhamente desbalanceado.

Naturalmente, uma vez que os resultados deixaram bastante margem para dúvidas, uma verificação dupla era necessária.

Experimentos subsequentes no Fermilab nos Estados Unidos sugeriram que algo estranho estava acontecendo quando o momentum das partículas era acionado até o limite do que os detectores poderiam medir.

Então, os pesquisadores iniciaram um novo experimento. Chamado de SeaQuest, sua mistura de detectores antigos e de cintiladores foi projetada para estudar a fundo os quarks que se espalham dentro dos prótons com maior precisão do que nunca.

A equipe levou 20 anos para quebrar partículas e analisar seus dados, mas eles finalmente confirmaram que realmente  um desequilíbrio confuso na antimatéria dentro de cada próton.

Quarks vêm em uma variedade de estilos, com nomes bonitos como up e down, top e bottom, charm e strange. Quando dois quarks up e um quark bottom se unem usando a força nuclear forte, chamamos esse trio de próton.

Tradução da imagem: O Modelo Padrão da Física de Partículas (The Standard Model of Particle Physics), mostrando os férmions [partículas de máteria] (fermions [matter particles]), que incluem os quarks com seus sabores up, down, strange, charm, bottom, e top, além dos léptons (leptons), com o elétron (electron), múon (muon), tau, o neutrino de elétron (electron neutrino), o elétron de muón (muon neutrino) e o neutrino de tau (tau neutrino); ao lado mostrando os bósons [partículas que carregam força] (bosons [force carriers]), entre eles o gluón (gluon), o fóton (photon), os Bósons W e Z (W boson/Z boson) e o bóson de Higgs. Crédito: ScienceAlert.

Essa é a explicação simples. A verdadeira natureza deste tripé é uma bagunça agitada de partículas de meio período emergindo e desaparecendo como um grande número de marinheiros se afogando em uma tempestade.

Só para complicar ainda mais as coisas, para cada um desses tipos de quark há um espelho oposto. Um antiquark.

Quando um tipo de quark encontra seu antiquark, o par desaparece no mar, deixando uma luz vacilante virtual de um fóton em seu rastro. Esse fóton também muda rapidamente, criando um rico elenco de partículas e antipartículas que aparecem e desaparecem em um flash caótico.

“A natureza fugaz dos pares quark-antiquark torna sua presença nos prótons difícil de ser estudada, mas neste experimento, detectamos a aniquilação dos antiquarks, o que nos deu uma visão sobre a assimetria”, disse o físico Paul Reimer, do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA.

Como os quarks up e down têm praticamente a mesma massa, nunca houve razão para pensar que a névoa quântica agitada não deveria dar tratamento preferencial para a criação de qualquer antipartícula equivalente.

À primeira vista, os cancelamentos se igualam para dar a aparência de um trio estável de quarks. Pelo menos, essa era a teoria.

Esses experimentos do início da década de 1990 revelaram que a realidade é um pouco mais complicada, com mais antiquarks do tipo down surgindo do que aqueles do tipo up, deixando os físicos com uma assimetria confusa em sua contabilidade quântica.

Uma explicação pode estar em como os prótons podem se transformar brevemente em nêutrons, emitindo – e então reabsorvendo rapidamente – um daqueles pares quark-antiquark, chamado píon.

Por outro lado, se imaginarmos um próton como um balão de quarks voando com uma variedade de energias, esses momentums também podem ter algo a dizer sobre os tipos de quarks que aparecem e desaparecem.

Pouco antes da virada do milênio, os pesquisadores realizaram experimentos com os momentums dos quarks, fornecendo um escopo mais amplo para medir e prever suas características.

Embora os testes extrapolassem os limites dos instrumentos, esses dados do ‘NuSea’ sugeriam que, uma vez que o momentum do quark fosse alto o suficiente, alguns sabores de antiquark de fato se tornariam mais comuns. Só que desta vez foram os ups.

Os dados do SeaQuest contradizem esses resultados, descobrindo que qualquer que seja o momentum do quark, são os antiquarks down que dominam, mesmo no momentum mais alto medido.

Esses são exatamente o tipo de dados de que os físicos precisam para começar a separar exatamente qual modelo – se há algum – explica o interior agitado do próton.

“Ainda temos um entendimento incompleto dos quarks em um próton e como eles dão origem às propriedades do próton”, disse Reimer.

Como sempre na física de partículas, muito mais informações são necessárias antes que o assunto seja resolvido. Essas bonecas matryoshka nucleares no coração de cada átomo não revelaram todos seus segredos.

Esta pesquisa foi publicada na Nature.