Imagem inédita do interior do átomo revela quarks e glúons como nunca antes; veja como essa descoberta pode mudar o rumo da ciência
Compreender as estruturas internas do átomo tem sido um dos maiores desafios para os físicos desde o final do século XIX. No entanto, a questão sobre a composição da matéria remonta à Antiguidade, quando filósofos começaram a refletir sobre esse tema. Ao longo dos séculos, essa pergunta passou pelas mentes de grandes cientistas, como Isaac Newton, Albert Einstein, e contemporâneos como Bohr, Oppenheimer e Schrödinger.
No século atual, experimentos em equipamentos bilionários foram realizados para aprofundar ainda mais o conhecimento sobre os átomos. Um desses equipamentos é o acelerador de partículas do CERN, o LHC, o maior do mundo. O LHC ganhou notoriedade em 2013 quando cientistas anunciaram a descoberta do bóson de Higgs.
Recentemente, um artigo publicado na Physical Review Letters por pesquisadores de uma colaboração dedicada ao estudo da estrutura atômica revelou uma imagem inédita de quarks e glúons. A imagem foi produzida por meio de experimentos realizados em diversos aceleradores, incluindo dados obtidos no LHC. O experimento utilizou elétrons acelerados a altas energias para criar um “mapa” do átomo.
Estrutura do átomo
Aprendemos desde cedo que um átomo é formado por partículas chamadas prótons, nêutrons e elétrons. Os elétrons, que são partículas carregadas negativamente, orbitam ao redor do núcleo, composto por prótons (carga positiva) e nêutrons (sem carga). Enquanto os elétrons são partículas fundamentais, os prótons e nêutrons, na verdade, são formados por partículas menores chamadas quarks.
No átomo, há várias interações presentes, como a interação eletromagnética, que é responsável pelas órbitas dos elétrons, e a interação forte, que mantém os prótons unidos no núcleo. Cada próton e nêutron é composto por quarks. Os prótons são formados por três quarks: dois do tipo “up” e um do tipo “down”. Já os nêutrons possuem dois quarks “down” e um “up”. Os glúons, por sua vez, são as partículas mediadoras que mantêm os prótons e nêutrons unidos dentro do núcleo.
Quarks e glúons
Os quarks, que formam a parte interna dos prótons e nêutrons, são chamados férmions e existem em seis tipos diferentes. Esses tipos, conhecidos como “sabores”, são: up, down, charm, strange, top e bottom. A carga e a massa das partículas, como os prótons e nêutrons, dependem de como esses quarks estão dispostos e de quais tipos estão presentes.
A conexão entre os quarks para formar a estrutura de um próton ou nêutron ocorre por meio dos glúons, que atuam como mediadores dessa interação. Quando dois quarks são afastados, a interação entre eles se intensifica, gerando uma tensão semelhante a um elástico esticado. Além disso, os quarks possuem uma característica chamada carga de cor, cuja soma resulta em um valor neutro para as partículas.
Experimento
Para compreender e mapear a estrutura do átomo, são realizadas colisões com elétrons em diferentes níveis de energia. Os experimentos mais conhecidos envolvem acelerar elétrons a diferentes velocidades e lançá-los contra átomos. Em energias mais baixas, os elétrons interagem com partículas carregadas, como prótons e outros elétrons.
Já em energias mais altas, como as alcançadas em aceleradores de partículas como o LHC, é possível observar as interações com quarks e glúons. Esses experimentos mostraram que quarks e glúons se comportam de forma conjunta, em vez de isoladamente, sugerindo a existência de uma região formada por ambos. Estudar essas regiões é crucial para entender suas propriedades.
Primeira imagem
Utilizando dados do LHC, um grupo de pesquisadores analisou os resultados de colisões entre elétrons energéticos e átomos. Com isso, eles conseguiram criar uma função que descreve a estrutura interna do átomo. Na física de partículas, mapear as distribuições das colisões atômicas é a maneira mais precisa de visualizar como a estrutura atômica funciona.
No total, foram estudados 18 núcleos atômicos e as distribuições das estruturas de quarks e glúons, tanto correlacionados quanto não correlacionados. Os resultados confirmaram as observações feitas em experimentos de baixa energia, mostrando que a maioria dos pares correlacionados são formados por prótons e nêutrons. Essa abordagem oferece uma descrição mais precisa dos dados experimentais em comparação com métodos tradicionais.
Com informações do tempo.com