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

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

Nesse século, experimentos em equipamentos com investimento 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 pesquisadores de lá anunciaram a descoberta do bóson de Higgs.

Recentemente, um artigo publicado na Physical Review Letters onde pesquisadores de uma colaboração para estudo da estrutura do átomo divulgaram uma imagem de quarks e glúons. A imagem veio de experimentos feitos em diferentes aceleradores, inclusive dados obtidos usando o LHC. O experimento foi com base em elétrons 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 prótons, elétrons e nêutrons. Os elétrons são partículas negativas que ficam em uma nuvem em torno do centro do átomo que é composto por prótons e nêutrons. Os prótons tem cargas positivas enquanto nêutrons não possuem cargas. Enquanto elétrons são partículas fundamentais, os prótons e nêutrons não são.

Cada próton e elétron são formados por partículas ainda menores chamadas de quarks. O tipo de quark varia com próton formado por três quarks sendo dois do tipo “up” e um do tipo “down”. Já o nêutron é formado por dois quarks do tipo “down” e um do tipo “up”. Outra partícula faz parte dessa interação e é chamada de glúon que media a interação forte mantendo prótons e nêutrons dentro do núcleo.

Quarks e glúons

Os quarks que formam a parte mais interna dos prótons e nêutrons são chamados de férmions 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 prótons e nêutrons, dependem de como os quarks estão arranjados e qual é o tipo do quark que está presente no interior.

A conexão entre quarks para formar a estrutura de um próton ou de um nêutron é através de uma partícula mediadora chamada glúon. 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.

Experimento

Uma forma de conseguir compreender e mapear a estrutura do átomo é através de colisão com elétrons de diferentes energia. Os experimentos mais famosos consistem em usar elétrons acelerados em diferentes velocidades e lançar em direção aos átomos. No caso de energias mais baixas, os elétrons interagem com as partículas carregadas como prótons e outros elétrons.

Já quando são acelerados à energias mais altas como as que acontecem em aceleradores de partículas como LHC, é possível observar a interação com quarks e glúons. Um dos resultados desses experimentos é que glúons e quarks se comportam juntos e não de maneira isolada. É como se houvesse uma região composta por quarks e glúons e estudar essas regiões são importantes para entender propriedades deles.

Primeira imagem

Em dados obtidos do LHC, um grupo de pesquisadores analisou os resultados de elétrons 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 atômicos e as distribuições das estruturas de quarks e glúons tanto correlacionados quanto não correlacionados. Os resultados confirmaram a observação conhecida em experimentos de baixa energia de que a maioria dos pares correlacionados são pares de próton-nêutron. Essa 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