Experimento épico de colisor de partículas nos EUA pode revelar como a matéria se mantém unida

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Esquema do experimento. Créditos: Lab. Nacional de Brookhaven / Flickr.

Por Daria Sokhan
Publicado no The Conversation

Quando o físico norte-americano vencedor do Prêmio Nobel Robert Hofstadter e sua equipe dispararam elétrons altamente energéticos contra um pequeno frasco de hidrogênio no Centro de Aceleração Linear de Stanford em 1956, eles abriram a porta para uma nova era da física.

Até então, pensava-se que os prótons e nêutrons, que constituem o núcleo de um átomo, eram as partículas mais fundamentais da natureza.

Eles eram considerados ‘pontos’ no espaço, sem dimensões físicas. Agora, de repente, ficou claro que essas partículas não eram fundamentais, e também tinham um tamanho e uma estrutura interna complexa.

O que Hofstadter e sua equipe viram foi um pequeno desvio na forma como os elétrons “se espalharam”, ou saltaram, ao atingir o hidrogênio. Isso sugeria que havia mais em um núcleo do que os prótons e nêutrons em forma de ponto que eles haviam imaginado.

Os experimentos que se seguiram ao redor do mundo em aceleradores – máquinas que propelem partículas a energias muito altas – anunciaram uma mudança de paradigma em nossa compreensão da matéria.

No entanto, ainda há muito que não sabemos sobre o núcleo atômico – bem como sobre a ‘força forte’, uma das quatro forças fundamentais da natureza, que o mantém unido.

Agora, um novo acelerador, o Colisor de Íons-Elétrons, que está sendo construído e estará totalmente pronto dentro uma década no Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island, EUA, com a ajuda de 1.300 cientistas de todo o mundo, pode ajudar a levar nossa compreensão do núcleo para um novo nível.

Como um elétron colidindo com um átomo carregado pode revelar sua estrutura nuclear. Créditos: Lab. Nacional de Brookhaven / Flickr.

Força forte mas estranha

Após as revelações da década de 1950, logo ficou claro que as partículas chamadas quarks e glúons são os blocos de construção fundamentais da matéria. Elas são os constituintes dos hádrons, que é o nome coletivo dos prótons e outras partículas.

Às vezes, as pessoas imaginam que esses tipos de partículas se encaixam como Lego, com quarks em uma determinada configuração formando prótons, e então prótons e nêutrons se acoplando para criar um núcleo, e o núcleo atraindo elétrons para construir um átomo. Mas quarks e glúons são tudo, menos blocos de construção estáticos.

Uma teoria chamada cromodinâmica quântica descreve como a força forte funciona entre os quarks, mediada pelos glúons, que são transmissores da força. Ainda assim, isso não pode nos ajudar a calcular analiticamente as propriedades do próton. Isso não é culpa de nossos teóricos ou dos computadores – as equações em si simplesmente não têm solução.

É por isso que o estudo experimental do próton e de outros hádrons é tão crucial: para entender o próton e a força que o liga, é preciso estudá-lo de todos os ângulos. Para isso, o acelerador é nossa ferramenta mais poderosa.

No entanto, quando você olha para o próton com um colisor (um tipo de acelerador que usa dois feixes), o que vemos depende de quão profundo – e com que – olhamos: às vezes ele aparece como três quarks constituintes, outras vezes como um oceano de glúons, ou um mar abundante de pares de quarks e suas antipartículas (as antipartículas são quase idênticas às partículas, mas têm a carga oposta ou outras propriedades quânticas).

Portanto, embora nossa compreensão da matéria nessa escala mais ínfima tenha feito um grande progresso nos últimos 60 anos, muitos mistérios permanecem que as ferramentas de hoje não podem abordar completamente. Qual é a natureza do confinamento de quarks dentro de um hádron? Como a massa do próton surge dos quarks quase sem massa, 1.000 vezes mais leves?

Para responder a essas perguntas, precisamos de um microscópio que possa obter imagens da estrutura do próton e do núcleo em uma ampla gama de ampliações com detalhes requintados e construir imagens 3D de sua estrutura e dinâmica. Isso é exatamente o que o novo colisor fará.

Configuração experimental

O Colisor de Íons-Elétrons (EIC) usará um feixe de elétrons muito intenso como sonda, com o qual será possível abrir o próton ou núcleo e observar a estrutura dentro dele.

Ele fará isso colidindo um feixe de elétrons com um feixe de prótons ou íons (átomos carregados) e observará como os elétrons se espalham. O feixe de íons é o primeiro desse tipo no mundo.

Efeitos que são quase imperceptíveis, como processos de espalhamento que são tão raros que você só os observa uma vez em um bilhão de colisões, se tornarão visíveis.

Ao estudar esses processos, eu e outros cientistas seremos capazes de revelar a estrutura dos prótons e nêutrons, como ela é modificada quando eles são limitados pela força forte e como novos hádrons são criados.

Também poderíamos descobrir que tipo de matéria é feita de glúons puros – algo que nunca foi visto.

Esquema do experimento. Créditos: Lab. Nacional de Brookhaven / Flickr.

O colisor será sintonizável a uma ampla gama de energias: é como girar o botão de ampliação de um microscópio, quanto mais alta a energia, mais profundamente dentro do próton ou núcleo se pode olhar e mais nítidas as características que se podem detectar.

Colaborações recém-formadas de cientistas de todo o mundo, que fazem parte da equipe do EIC, também estão projetando detectores, que serão colocados em dois pontos de colisão diferentes no colisor.

Aspectos desse esforço são liderados por equipes do Reino Unido, que acabam de receber uma bolsa para liderar o projeto de três componentes principais dos detectores e desenvolver as tecnologias necessárias para realizá-los: sensores para rastreamento de precisão de partículas carregadas, sensores para a detecção de elétrons espalhados extremamente próximos à linha de feixe e detectores para medir a polarização (direção do spin) das partículas espalhadas nas colisões.

Embora possa demorar mais 10 anos antes que o colisor seja totalmente projetado e construído, é provável que valha a pena o esforço.

Compreender a estrutura do próton e, por meio dele, a força fundamental que dá origem a mais de 99% da massa visível do Universo, é um dos maiores desafios da física atual.