Calcular o spin de um próton costumava ser uma tarefa fácil da faculdade. Na verdade, Carl Gagliardi lembra-se de ter respondido a essa pergunta quando era estudante de graduação em física na década de 1970. Mas a verdadeira resposta acabou não sendo nada simples. Mesmo a resposta "certa" de Gagliardi foi desmentida por experimentos alguns anos depois que viraram o campo de cabeça para baixo.

Os prótons são uma das três partículas que constituem os átomos, os blocos de construção do universo. O spin de um próton é uma de suas propriedades mais básicas. Como os prótons são em parte compostos por quarks, os cientistas presumiram que os spins do próton eram apenas a soma dos spins do quark.

Mas estudos na década de 1980 mostraram que a realidade é muito mais complexa. Desde então, Gagliardi e outros pesquisadores usaram o exclusivo DOE Office of Science User Facilities no Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) e no Brookhaven National Laboratory para explorar esse fenômeno fundamental.

Investigando uma força da natureza

Prótons sempre têm "spin". A direção e a força do spin de um próton determinam suas propriedades magnéticas e elétricas. Mudanças no spin do próton também alteram sua estrutura.

"Ao compreender como [os componentes de um próton] atuam entre si para produzir spin, podemos aprender sobre como a Mãe Natureza constrói um próton, "disse Gagliardi, agora é pesquisador do Cyclotron Institute da Texas A&M. Ele colabora no trabalho do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory em Long Island, Nova york.

Ter uma melhor compreensão do spin e da estrutura dos prótons pode levar a benefícios inesperados. Assim como as descobertas de James Clerk Maxwell sobre eletromagnetismo na década de 1860 estabeleceram a base para a eletrônica de hoje, alguns cientistas acreditam que a compreensão do spin do próton pode levar a avanços semelhantes.

"[As equações de Maxwell] eram o domínio da humanidade sobre uma força fundamental da natureza, eletromagnetismo, "disse John Lajoie, um pesquisador do estado de Iowa que trabalha no RHIC. "O que estamos tentando fazer é obter uma compreensão fundamental da força que liga os quarks ao próton."

Descobertas inesperadas

"Estudar spin em física me trouxe muitas surpresas, "disse Elke-Caroline Aschenauer, que lidera o grupo de pesquisa de Brookhaven focado no spin do próton. Mas a natureza não desistiu de seus segredos facilmente.

Os pesquisadores primeiro pensaram que cada próton consistia inteiramente de apenas três quarks, que juntos determinaram o spin. Quarks são partículas elementares que os cientistas não foram capazes de decompor em partes menores.

Mas quanto mais perto eles olhavam, mais complexa a imagem ficava. O experimento inicial na Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) sugeriu que os spins de quark não contribuíram quase nada para o spin do próton. Desde então, experimentos mais precisos aumentaram a contribuição do spin do quark para 25 a 30 por cento. Isso deixa muitas coisas por explicar.

Em vez de ficar desapontado, muitos físicos ficaram emocionados.

"Eu vivo para estar errado, "disse Lajoie." É onde aprendemos.

Batendo Partículas Juntas

Para investigar prótons e outras partículas subatômicas, os cientistas usam aceleradores para colidi-los a velocidades próximas à velocidade da luz.

"Os físicos de partículas realmente não evoluíram muito mais do que os dias dos homens das cavernas em termos de bater duas rochas uma na outra, "brincou Lajoie.

Os aceleradores em Brookhaven e Jefferson Labs têm a capacidade única de polarizar fluxos de partículas. Isso significa que eles coordenam os spins das partículas para que fiquem alinhadas na mesma direção.

Na Instalação do Acelerador de Feixe de Elétrons Contínuos (CEBAF), um DOE Office of Science User Facility no Jefferson Lab em Newport News, Virgínia, a máquina dispara um feixe polarizado de elétrons em um alvo estacionário. O alvo também é polarizado. A colisão do feixe de elétrons com os prótons ou nêutrons no alvo dá aos cientistas uma visão particularmente boa das contribuições dos quarks para o spin. Quando o feixe atinge o alvo, as partículas se espalham em ângulos diferentes. Um espectrômetro de elétrons identifica quais tipos e quantas partículas resultaram do experimento.

RHIC em Brookhaven envia dois feixes de prótons através de um túnel de 6,5 quilômetros. Quando eles colidem, as partículas se separam e se reagrupam imediatamente. Eles atingem dois detectores do tamanho de uma casa que coletam dados sobre sua direção, impulso, e energia.

"É uma conquista incrível da humanidade, "disse Ernst Sichtermann, pesquisador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE e porta-voz adjunto de um dos experimentos do RHIC.

Como a única instalação que pode polarizar e colidir prótons, RHIC é útil para entender a contribuição dos glúons. Os glúons são as partículas que mantêm os quarks unidos para formar prótons e nêutrons.

Comparar e contrastar resultados é uma parte essencial da pesquisa do spin do próton. Ambos os laboratórios conduzem experimentos que examinam o que acontece quando você colide partículas que estão girando na mesma direção contra aquelas girando em direções opostas. Para determinar como uma partícula específica, como um gluon ou quark, contribui para girar, os pesquisadores comparam o número e o tipo de partículas que resultam de diferentes configurações dos feixes e do alvo.

Um dos principais desafios é coletar e analisar a incrível quantidade de dados. Grande parte do trabalho se concentra na coleta de dados corretos e na minimização de erros ou vieses.

"É aí que alguém se torna um físico de verdade, "disse Gagliardi." Noventa e cinco por cento do tempo da análise científica é dedicado à identificação, quantificar e limitar esses vieses. "

Compreendendo as contribuições

Usando essas ferramentas, os físicos perceberam que a estrutura do próton não é nada simples. É um oceano de quarks e glúons mutantes. Além disso, os glúons rapidamente se dividem em pares de curta duração de quarks e anti-quarks (conhecidos como quarks do mar). Os anti-quarks têm características semelhantes aos quarks, exceto a carga oposta.

Vários experimentos examinaram possíveis fontes de spin.

Um experimento no RHIC descobriu que os spins dos anti-quarks geralmente não estão alinhados na mesma direção. Como resultado, é improvável que contribuam muito para o spin do próton.

Outro estudo abordou o papel dos glúons. Em 2014, os cientistas descobriram dados experimentais que demonstraram que os glúons contribuem significativamente para o spin do próton. Na verdade, eles contribuem com cerca de 20 a 30 por cento disso.

Um experimento subsequente focou em glúons "fracos" com baixo momentum. Estudos anteriores subestimaram a contribuição desses glúons. Mas colisões em energias muito mais altas descobriram que, embora glúons "fracos" isolados contribuam com quase nada, o grande número deles resulta em um pouco de influência.

Há uma fonte importante que os pesquisadores ainda não exploraram:o momento angular orbital. O momento angular orbital vem do movimento dos quarks e glúons entre si. Enquanto os teóricos desenvolveram simulações que modelam essa contribuição, os cientistas não têm equipamento para testá-los.

Isso mudará com a abertura de uma grande atualização para o CEBAF. Dobrar a energia do acelerador e fornecer melhor resolução permitirá aos cientistas estudar o momento angular orbital. Os membros da equipe do laboratório esperam ter o acelerador atualizado totalmente funcionando no próximo ano.

"Não há nenhum outro feixe como este em outro lugar do mundo, "disse Robert McKeown, Vice-diretor de pesquisa do Jefferson Lab.