O próton é uma das partículas fundamentais da matéria. Por isso, os cientistas têm o estudado por anos para entender melhor suas propriedades. Agora, uma tarefa que parecia impossível foi realizada pela primeira vez: os físicos conseguiram medir a pressão dentro de um próton, e o resultado é nada menos que impressionante.
Ao disparar elétrons de alta energia nos prótons, os pesquisadores mediram o impulso e a tração do trio de quarks dentro do próton, fornecendo informações valiosas sobre este que é um dos blocos de construção mais estáveis do Universo.
Utilizando esta técnica inovadora, os físicos descobriram que a pressão que mantêm os quarks unidos dentro do próton é de 100 decilhões de Pascal. Este número absurdamente grande é um 1 seguido por 35 zeros.
Para se ter uma ideia de quão alta e intensa é esta pressão, os físicos dizem que ela é 10 vezes maior do que a que existe em uma estrela de nêutrons, onde a matéria é apertada o suficiente para espremer uma montanha em um monte que caberia em uma colher de chá.
“Encontramos uma pressão extremamente alta dirigida para o exterior a partir do centro do próton, e uma pressão muito menor e mais estendida para dentro, perto da periferia do próton”, explica Volker Burkert, co-autor do estudo.
Burkert diz que a distribuição de pressão dentro do próton é ditada pela força forte, a força que une os três quarks que formam um próton.
“Nossos resultados também lançam luz sobre a distribuição da força forte dentro do próton”, disse ele. “Estamos fornecendo uma maneira de visualizar a magnitude e a distribuição da força forte dentro do próton. Isso abre uma direção totalmente nova na física nuclear e de partículas que pode ser explorada no futuro”, anima-se.
O coração do próton
A física Latifa Elouadrhiri, do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, nos EUA, compara nossa compreensão anterior da estrutura do próton com a do coração humano. Antes, ouvindo apenas a batida, só podíamos saber uma determinada quantidade de informações sobre o seu funcionamento.
“Temos a tecnologia médica de imagens em 3D que agora permite que os médicos aprendam mais de maneira não invasiva sobre a estrutura do coração”, disse Elouadrhiri à revista Nature. “E é isso que queremos fazer com a nova geração de experimentos”.
Os físicos já sabem há algum tempo que os prótons são feitos de três quarks, dois positivos e um negativo, unidos por algo chamado força nuclear forte. Mas fora isso, a estrutura interna do próton tem sido um mistério. Seus quarks claramente se mantêm juntos, mas também tem que haver algum tipo de repulsão que os impeça de entrar em colapso em algum ponto.
Para medir o quão bem essas peças se juntam, os pesquisadores combinaram duas estruturas teóricas diferentes – uma delas considerada praticamente impossível de implementar diretamente. A energia e o momentum das partes internas de um próton estão codificadas nos chamados fatores de forma gravitacional.
A gravidade é uma força que geralmente não é levada em consideração na física de partículas, principalmente quando há forças muito mais fortes em ação. Mas dentro de um próton, um campo gravitacional pode ser afetado pela energia e pelo momentum de uma partícula.
Porém, isso apenas em teoria – pelo menos até agora. Um artigo de 1966 do físico norte-americano Heinz Pagels descreveu o processo e ao mesmo tempo descartou sua aplicação prática graças à extrema fraqueza da gravidade.
O que Pagels não previu foi o desenvolvimento de uma estrutura teórica que conectasse comportamentos da força eletromagnética a fatores de forma gravitacionais. Em outras palavras, mais tarde foi descoberto que os elétrons poderiam substituir uma sonda gravitacional.
“Essa é a beleza disso. Você tem esse mapa que você acha que nunca conseguirá usar. Mas aqui estamos nós, preenchendo-o com esta sonda eletromagnética”, comemora a cientista.
A chave era usar o espalhamento de Compton, que descreve a interação entre fótons de luz e uma partícula carregada, como um elétron. Nesse caso, os cientistas aumentaram a aceleração de um elétron para estreitar seu comprimento de onda, o suficiente para penetrar em um próton.
Eles então observaram a dispersão de fótons que foram produzidos, combinando seus detalhes com informações sobre o próton e o elétron acelerado para determinar como os quarks reagiram à colisão.
Essa dispersão forneceu um mapa de energia e momentum para descrever a pressão externa extrema no centro do próton.
O próximo passo para a equipe é continuar a usar esse processo para construir uma compreensão maior da mecânica interna do próton, calculando suas forças e, eventualmente, construindo uma imagem de como seus quarks se movem.
Saber mais sobre o que acontece dentro de um próton poderia nos dizer se estas partículas tão estáveis em algum momento decaem. Por enquanto, eles parecem estáveis o suficiente para durar mais que o Universo. Determinar como e quando eles se quebram forneceria pistas valiosas sobre algumas das características fundamentais do cosmos. [Science Alert, Jefferson Lab]
