Traduzido por Julio Batista
Original de Mike McRae para o ScienceAlert
Silenciosamente agitando-se no coração de cada átomo do Universo está um turbilhão de partículas que a física anseia entender.
Nenhuma sonda, nenhum microscópio e nenhuma máquina de raios-X pode esperar entender a confusão caótica de engrenagens quânticas girando dentro de um átomo, deixando os físicos para teorizar o melhor que puderem com base nos detritos de colisões de alta velocidade dentro de colisores de partículas.
Os pesquisadores agora têm uma nova ferramenta que já está fornecendo a eles um pequeno vislumbre dos prótons e nêutrons que formam os núcleos dos átomos, baseado no emaranhamento de partículas produzidas quando os átomos de ouro roçam uns nos outros em alta velocidade.
Usando o poderoso Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, cientistas mostraram como é possível obter detalhes precisos sobre o arranjo dos prótons e nêutrons do ouro usando um tipo de interferência quântica nunca antes vista em um experimento.
“Esta técnica é semelhante à forma como os médicos usam a tomografia por emissão de pósitrons para ver o que está acontecendo dentro do cérebro e outras partes do corpo”, disse o físico James Daniel Brandenburg, ex-pesquisador de Brookhaven e agora membro da colaboração STAR.
“Mas, neste caso, estamos falando de mapear características na escala de femtômetros – quadrilionésimos de um metro – o tamanho de um próton individual”.
Em termos didáticos, a anatomia de um próton pode ser descrita como um trio de blocos de construção fundamentais chamados quarks unidos pela troca de uma partícula carregada de força chamada glúon.
Se ampliássemos e observássemos essa colaboração em primeira mão, não veríamos muita coisa legal. Partículas e antipartículas surgem e desaparecem em uma espuma fervilhante de confusão estatística, onde as regras de distribuição de partículas são tudo menos consistentes.
Colocar restrições nos movimentos e momentos de quarks e glúons requer algum raciocínio inteligente, mas evidências concretas são o que os físicos realmente desejam.
Infelizmente, simplesmente iluminar um próton não resultará em um registro de suas partes móveis. Fótons e glúons seguem regras muito diferentes, o que significa que são efetivamente invisíveis uns para os outros.
Há uma brecha, no entanto. Imbuídas de energia suficiente, as ondas de luz podem ocasionalmente produzir pares de partículas que estão no limite da existência antes de desaparecer novamente, entre as quais os quarks e os antiquarks.
Se esse surgimento espontâneo ocorrer ao alcance da influência do núcleo de um átomo, o brilho fantasmagórico de quarks opostos pode se misturar com as saraivadas rodopiantes de glúons e formar temporariamente um conglomerado conhecido como méson rho, que em uma fração de segundo se despedaça em um par de partículas carregadas chamadas píons.
Esses pares consistem em um píon positivo, composto por um quark up e um antiquark down, e um píon negativo formado por um quark down e um antiquark up.
Rastrear a trajetória e as propriedades dos píons formados dessa maneira pode nos dizer algo sobre o “ninho de vespas” em que nasceu.
Alguns anos atrás, pesquisadores do RHIC descobriram que era possível usar os campos eletromagnéticos que cercam os átomos de ouro movendo-se em alta velocidade como fonte de fótons.
“Nesse trabalho anterior, demonstramos que esses fótons são polarizados, com seu campo elétrico irradiando para fora do centro do íon”, disse Zhangbu Xu, físico de Brookhaven.
“E agora usamos essa ferramenta, a luz polarizada, para obter imagens efetivas dos núcleos em alta energia.”
Quando dois átomos de ouro passam raspando um pelo outro enquanto circulam o colisor em direções opostas, os fótons de luz que passam por cada núcleo podem dar origem a uma partícula de méson rho e, portanto, a pares de píons carregados.
Os físicos mediram os píons ejetados dos núcleos de ouro que passavam e mostraram que eles realmente tinham cargas opostas. Uma análise das propriedades ondulatórias da chuva de partículas mostrou sinais de interferência que podem ser rastreados até a polarização da luz e sugeriram algo muito menos esperado.
Em configurações quânticas típicas aplicadas e experimentais, o emaranhamento é observado entre os mesmos tipos de partículas: elétrons com elétrons, fótons com fótons e átomos com átomos.
Os padrões de interferência observados na análise das partículas produzidas neste experimento só poderiam ser explicados pelo emaranhamento de partículas não idênticas – um píon carregado negativamente com um píon carregado positivamente.
Embora longe de ser uma anomalia teórica, está longe de ser uma ocorrência cotidiana no laboratório, representando a primeira observação experimental de emaranhamento envolvendo partículas diferentes.
Rastreando os padrões de interferência emaranhados até os núcleos de ouro, os físicos puderam obter um retrato bidimensional de sua distribuição de glúons, fornecendo novas perspectivas sobre as estruturas das partículas nucleares.
“Agora podemos ter um registro onde podemos realmente distinguir a densidade dos glúons em um determinado ângulo e raio”, disse Brandenburg.
“As imagens são tão precisas que podemos até começar a ver a diferença entre onde estão os prótons e onde estão os nêutrons dentro desses grandes núcleos.”
Esta pesquisa foi publicada na Science Advances.
