Um mistério sobre a estrutura dos prótons está um passo mais perto de ser resolvido, graças a um experimento de sete anos liderado por pesquisadores do MIT.

Por muitos anos, os pesquisadores investigaram a estrutura dos prótons - partículas subatômicas com carga positiva - bombardeando-os com elétrons e examinando a intensidade dos elétrons espalhados em diferentes ângulos.

Dessa forma, eles tentaram determinar como a carga elétrica e a magnetização do próton são distribuídas. Esses experimentos já haviam levado os pesquisadores a supor que as distribuições de carga elétrica e magnética são as mesmas, e aquele fóton - uma partícula elementar de luz - é trocado quando os prótons interagem com os elétrons que bombardeiam.

Contudo, no início dos anos 2000, pesquisadores começaram a realizar experimentos usando feixes de elétrons polarizados, que medem o espalhamento elástico elétron-próton usando o spin dos prótons e elétrons. Esses experimentos revelaram que a proporção das distribuições de carga elétrica para magnética diminuiu drasticamente com as interações de energia mais alta entre os elétrons e os prótons.

Isso levou à teoria de que não um, mas dois fótons às vezes eram trocados durante a interação, causando a distribuição desigual de carga. O que mais, a teoria previa que ambas as partículas seriam chamadas de "duras, "ou fótons de alta energia.

Em uma tentativa de identificar essa "troca de dois fótons, "uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT realizou um experimento de sete anos, conhecido como OLYMPUS, no German Electron Synchrotron (DESY) em Hamburgo.

Em artigo publicado esta semana na revista Cartas de revisão física , os pesquisadores revelam os resultados deste experimento, que indicam que dois fótons são de fato trocados durante as interações elétron-próton.

Contudo, ao contrário das previsões teóricas, a análise das medições OLYMPUS sugere que, a maior parte do tempo, apenas um dos fótons tem alta energia, enquanto o outro deve carregar muito pouca energia, de acordo com Richard Milner, professor de física e membro do Grupo de Física Hadrônica do Laboratório de Ciência Nuclear, quem conduziu o experimento.

"Vimos pouca ou nenhuma evidência de uma troca difícil de dois fótons, "Milner diz.

Tendo proposto a ideia para o experimento no final dos anos 2000, o grupo recebeu financiamento em 2010.

Os pesquisadores tiveram que desmontar o antigo espectrômetro BLAST - um detector complexo de 125 metros cúbicos baseado no MIT - e transportá-lo para a Alemanha, onde foi remontado com algumas melhorias. Eles então realizaram o experimento ao longo de três meses em 2012, antes que o acelerador de partículas do laboratório fosse descomissionado e fechado no final daquele ano.

O experimento, que foi realizado ao mesmo tempo que dois outros nos EUA e na Rússia, envolveu o bombardeio de prótons com elétrons carregados negativamente e pósitrons carregados positivamente, e comparar a diferença entre as duas interações, de acordo com Douglas Hasell, um dos principais cientistas pesquisadores do Laboratório de Ciência Nuclear e do Grupo de Física Hadrônica do MIT, e outro dos autores do artigo.

O processo irá produzir uma medição sutilmente diferente dependendo se os prótons estão espalhados por elétrons ou pósitrons, Hasell diz. "Se você notar uma diferença (nas medidas), isso indicaria que há um efeito de dois fótons que é significativo. "

As colisões duraram três meses, e os dados resultantes levaram mais três anos para serem analisados, Hasell diz.

A diferença entre os resultados teóricos e experimentais significa que mais experimentos podem precisar ser realizados no futuro, em energias ainda mais altas, onde se espera que o efeito de troca de dois fótons seja maior, Hasell diz.

Pode ser difícil atingir o mesmo nível de precisão alcançado no experimento OLYMPUS, Contudo.

"Executamos o experimento por três meses e produzimos medições muito precisas, "ele diz." Você teria que correr por anos para obter o mesmo nível de precisão, a menos que o desempenho (do experimento) possa ser melhorado. "

No futuro imediato, os pesquisadores planejam ver como a comunidade da física teórica responde aos dados, antes de decidir sobre a próxima etapa, Hasell diz.

"Pode ser que eles possam fazer um pequeno ajuste em um detalhe dentro de seus modelos teóricos para trazer tudo de acordo, e explicar os dados em energias mais altas e mais baixas, " ele diz.

"Então caberá aos experimentalistas verificar se esse é o caso."