Interior do átomo é mostrado pela primeira vez em imagem de quarks e gluões

Compreender as estruturas internas do átomo tem sido um dos desafios dos físicos desde o final do século XIX. Entretanto, a questão sobre do que é feita a matéria vem desde a Antiguidade quando filósofos começaram a refletir sobre isto. Nos últimos séculos, esta pergunta passou por várias mentes brilhantes que vão desde Isaac Newton até Albert Einstein e contemporâneos como Bohr, Oppenheimer e Schrödinger.

Neste século, experiências em equipamentos com investimentos bilionários foram feitos para aprofundar ainda mais a compreensão dos átomos. Um desses equipamentos é o acelerador de partículas do CERN, o LHC, que atualmente é o maior acelerador de partículas do mundo. O LHC ficou famoso em 2013 quando investigadores de lá anunciaram a descoberta do bosão de Higgs.

Recentemente, um artigo publicado na Physical Review Letters onde investigadores de uma colaboração para o estudo da estrutura do átomo divulgaram uma imagem de quarks e gluões. A imagem veio de experiências feitas em diferentes aceleradores, inclusive dados obtidos através do uso do LHC. A experiência foi com base em eletrões acelerados até altas energias para conseguir uma espécie de mapa do átomo.

Estrutura do átomo

Aprendemos desde cedo que um átomo é composto por partículas chamadas de protões, eletrões e neutrões. Os eletrões são partículas negativas que ficam numa nuvem em torno do centro do átomo que é composto por protões e neutrões. Os protões tem cargas positivas enquanto os neutrões não possuem cargas. Enquanto eletrões são partículas fundamentais, os protões e neutrões não são.

Cada protão e eletrão são formados por partículas ainda menores chamadas de quarks. O tipo de quark varia com protão formado por três quarks sendo dois do tipo “up” e um do tipo “down”. Já o neutrão é formado por dois quarks do tipo “down” e um do tipo “up”. Outra partícula faz parte desta interação e chama-se gluão que media a interação forte, mantendo protões e neutrões dentro do núcleo.

Quarks e gluões

Os quarks que formam a parte mais interna dos protões e neutrões chamam-se fermiões e possuem seis tipos diferentes. O tipo de cada quark é chamado de sabor e pode ser up, down, charm, strange, top e bottom. A carga e a massa das partículas, como protões e neutrões, dependem de como os quarks estão arranjados e qual é o tipo do quark que está presente no interior.

A ligação entre quarks para formar a estrutura de um protão ou de um neutrão é através de uma partícula mediadora chamada gluão. Quando dois quarks são afastados, a interação aumenta, criando uma tensão como um elástico esticado. Além disso, os quarks também possuem um tipo de carga que é conhecida como carga de cor, a soma das cargas de cor de uma partícula são nulas.

Experiência

Uma forma de conseguir compreender e mapear a estrutura do átomo é através de colisão com eletrões de diferentes energia. As experiências mais famosas consistem em utilizar eletrões acelerados em diferentes velocidades e lançar em direção aos átomos. No caso de energias mais baixas, os eletrões interagem com as partículas carregadas como protões e outros eletrões.

Já quando são acelerados a energias mais altas como as que acontecem em aceleradores de partículas como o LHC, é possível observar a interação com quarks e gluões. Um dos resultados destas experiências é que gluões e quarks se comportam juntos e não de forma isolada. É como se houvesse uma região composta por quarks e gluões e estudar estas regiões são importantes para entender as suas propriedades.

Primeira imagem

Em dados obtidos do LHC, um grupo de investigadores analisou os resultados de eletrões energéticos lançados contra átomos. Com isso, eles conseguiram obter uma função que descreve como é a estrutura dentro do átomo. Na Física de partículas, entender a distribuição através das colisões dos átomos é a melhor forma de imagear a ideia de como funciona a estrutura.

Ao todo, eles estudaram 18 núcleos atómicos e as distribuições das estruturas de quarks e gluões tanto correlacionados quanto não correlacionados. Os resultados confirmaram a observação conhecida em experiências de baixa energia de que a maioria dos pares correlacionados são pares de protão-neutrão. Esta abordagem oferece uma descrição melhor dos dados experimentais do que os métodos tradicionais.

Referência da notícia:

Denniston et al. 2024 Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs Physical Review Letters