Muito parecido com dois vizinhos amigáveis ​​se reunindo para conversar e tomar uma xícara de café, as partículas minúsculas em nosso mundo subatômico também se juntam para iniciar uma espécie de conversa. Agora, os cientistas nucleares estão desenvolvendo ferramentas que lhes permitem ouvir as conversas das partículas e aprender mais sobre como elas se unem para construir nosso universo visível.

Jozef Dudek é cientista da equipe do Jefferson Lab do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e professor assistente de física da William &Mary. Ele e seus colegas realizaram recentemente os primeiros cálculos complexos de uma partícula chamada sigma. Eles publicaram o resultado em Cartas de revisão física em janeiro.

"O sigma é frequentemente considerado parte da força que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo, "Dudek explicou." Você pode pensar na existência de uma força entre um próton e um nêutron, que se deve à troca de partículas entre eles. Uma das partículas que um próton e um nêutron podem trocar é o sigma. "

Essa troca de partículas sigma por prótons e nêutrons permite que eles se comuniquem por meio da força forte. A força forte é a força da natureza que une prótons e nêutrons aos núcleos. Na verdade, a força forte também é responsável pela formação de prótons e nêutrons.

Em décadas de investigação profunda no âmago da matéria para descobrir seus blocos de construção, os físicos nucleares até agora descobriram que os menores pedaços de matéria são quarks. São necessários três quarks para construir um próton (e três para construir um nêutron). Esses quarks são unidos pela força forte, novamente por meio de uma conversa entre quarks que se manifesta como a troca de partículas. Nesse caso, os quarks trocam "cola" de força forte - partículas chamadas glúons.

Então, se as partículas são capazes de conversar através da troca de glúons de força forte diretamente, onde fica o sigma? Acontece que se um próton e um nêutron estão realmente próximos, eles podem manter a conversa com uma simples troca de glúons. Mas em um núcleo espaçoso, leva outras partículas, incluindo o sigma, para conversar com eficiência.

"Em distâncias maiores, faz sentido pensar em trocar mésons entre núcleons, onde os mésons são construídos a partir dos próprios quarks e glúons, mas empacotado em pacotes confinados, "Dudek disse.

Esses 'pacotes confinados' podem ser o sigma, que é um mesão constituído de quarks e glúons, ou outro méson chamado píon, familiar aos físicos como uma partícula frequentemente encontrada pendurada em torno do núcleo.

Para colocar tudo junto, prótons e nêutrons podem conversar por meio da troca de glúons a curtas distâncias, mésons sigma em distâncias médias e píons em distâncias maiores.

Calculando o cerne da questão

Se tudo isso parece bastante complicado, é porque é. Dudek e seus colegas são os primeiros a calcular a partícula sigma diretamente da teoria que descreve a força forte, as partículas que interagem por meio dessa força e a natureza dessas interações. Esta teoria é chamada de cromodinâmica quântica ou simplesmente QCD.

Na verdade, esses cálculos eram tão complicados, foram necessários supercomputadores para realizar a façanha.

De acordo com Robert Edwards, um cientista sênior da equipe do Centro de Física Teórica e Computacional do Jefferson Lab, os cálculos QCD exigiram o esforço dedicado de vários supercomputadores.

A primeira parte dos cálculos foi realizada em Titan, um supercomputador baseado no Oak Ridge Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility no DOE's Oak Ridge National Laboratory no Tennessee, e o supercomputador Blue Waters da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

Edwards disse que esses primeiros cálculos foram usados ​​para desenvolver instantâneos do ambiente de partículas subatômicas, ou o "vácuo" do espaço descrito por QCD.

"O vácuo não é um lugar vazio, está fervendo de energia, "Edwards explica." E a energia se manifesta como flutuações elétricas e magnéticas, que pode ser pensado como a cola da força forte. Então, o que a QCD faz é observar a força desses campos em cada ponto do espaço. "

Esses instantâneos do vácuo flutuante podem ser imaginados como a superfície de uma lagoa onde chove, com as gotas de chuva causando ondulações na lagoa. Cada instantâneo da superfície do lago corresponde a um instantâneo do vácuo. Ele disse que 485 instantâneos foram gerados pelo supercomputador Titan.

Assistindo os cenários se desenrolando

Para a segunda parte dos cálculos, quarks foram adicionados ao instantâneo. À medida que os quarks se movem através do vácuo, eles respondem ao seu ambiente. Seus movimentos possíveis, chamados de "propagadores, "foram calculados usando os supercomputadores Titan e Blue Waters. Para cada instantâneo do vácuo, 800, 000 desses propagadores foram computados.

Com os propagadores instalados, vários cenários diferentes foram então propostos para como quarks específicos irão interagir uns com os outros à medida que se propagam no tempo. Para cada cenário, o supercomputador calcula a probabilidade dentro da teoria de QCD de que os quarks provavelmente interajam dessa maneira.

"Temos que avaliar uma quantidade chamada função de correlação. A função de correlação diz que você tem alguma configuração de quarks, e você está observando a propagação conforme eles passam no tempo, "Edwards explica." Esta função de correlação está medindo efetivamente a correlação, ou sua força, entre sua configuração inicial de quarks e sua configuração final de quarks. "

Continuando nossa analogia com as gotas de chuva na lagoa, agora imagine que um pato de borracha foi adicionado ao lago. Os cálculos da função de correlação determinam a probabilidade de o pato de borracha flutuar de um ponto a outro na lagoa.

Cada uma das 485 configurações foram simuladas várias vezes para determinar a probabilidade de cada cenário, produzindo cerca de 15 milhões de resultados para comparação. Os cálculos foram realizados no cluster LQCD do Jefferson Lab na primavera e verão de 2016.

Sigma ganha vida

Depois que todos os cálculos foram registrados, os pesquisadores descobriram que, se os quarks certos estiverem presentes, o sigma pode, na verdade, ser gerado pela força forte.

Após décadas de vislumbres breves da existência fugaz do sigma a partir dos dados experimentais que mostram seus efeitos em outras partículas subatômicas, Dudek e Edwards dizem que esse cálculo agora oferece aos cientistas uma nova maneira de estudar essa partícula indescritível.

"É realmente um primeiro passo para entender o que é o sigma. Ele realmente existe dentro da teoria? Aparentemente, faz, "Dudek explicou.

As propriedades do sigma em seus cálculos parecem corresponder ao que os cientistas esperam das propriedades do sigma do mundo real. O que mais, agora que esses cálculos demonstraram que é viável aplicar supercomputadores aos cálculos de uma partícula indescritível como o sigma, isso pode muito bem abrir a porta para cálculos de outras partículas de vida curta.

"Demonstramos que podemos mostrar que existe dentro da QCD. Agora, as perguntas são:O que é? Como é formado? Por que essa coisa existe? Existe uma maneira de entender isso de forma simples? ", Disse Dudek." Podemos responder a essas questões, agora que temos uma técnica rigorosa para estudar dentro da QCD esse objeto? E isso é algo para o futuro. "

E estudar o esquivo sigma pode permitir aos pesquisadores o primeiro vislumbre dessa faceta da força forte que existe apenas nas profundezas do âmago da matéria. Pode oferecer a eles a chance de escutar, Se você for, na força enquanto ela desenvolve seu trabalho de construir nosso universo.