Uma impressão artística de como o próton é produzido. Os quarks e glúons estão girando, contribuindo para dar exatamente ½ para o giro do próton. A questão de como isso é feito e com quanto cada um contribui tem sido um enigma desde 1987. Crédito:Cortesia do Laboratório Nacional de Brookhaven
Cientistas em um grupo de pesquisa liderado por Constantia Alexandrou, professor de física da Universidade de Chipre e do Instituto de Chipre, deu um passo crucial para resolver um quebra-cabeça de três décadas:eles decifraram com sucesso o momento angular total (spin) do núcleo, determinar como é compartilhado entre seus constituintes. O supercomputador CSCS Piz Daint forneceu os recursos computacionais necessários.
Nucleons - prótons e nêutrons - são os principais constituintes dos núcleos atômicos. Essas partículas, por sua vez, são compostas de partículas elementares ainda menores, chamadas quarks e glúons. Cada núcleo tem seu próprio momento angular intrínseco, ou gire. Conhecer o spin das partículas elementares é importante para compreender os processos físicos e químicos. Spin é responsável pelas propriedades fundamentais de um material, por exemplo, mudanças de fase em materiais não condutores que repentinamente os transformam em supercondutores em temperaturas muito baixas.
Modelos teóricos originalmente assumiram que o spin do nucleon veio apenas de seus quarks constituintes. Mas em 1987, experimentos de física de alta energia conduzidos pela European Muon Collaboration precipitaram o que veio a ser conhecido como "crise de spin do próton". Experimentos realizados no CERN, DESY e SLAC mostraram que os quarks contribuem com apenas 30 por cento do spin do próton. Desde então, não está claro quais outros efeitos contribuem para a rotação, e em que medida. Os estudos de física de alta energia sugeriram que pares quark-antiquark com seus estados intermediários de curta duração podem estar em jogo aqui - em outras palavras, efeitos quânticos puramente relativísticos.
Trinta anos depois, esses misteriosos efeitos foram finalmente explicados em cálculos realizados no supercomputador CSCS Piz Daint por um grupo de pesquisa liderado por Constantia Alexandrou da Universidade de Chipre em Nicósia; esse grupo também incluiu pesquisadores do DESY-Zeuthen, Alemanha, e das Universidades de Temple e Utah, EUA. Pela primeira vez, pesquisadores foram capazes de calcular as contribuições quantitativas dos quarks constituintes, glúons e quarks do mar - os quarks do mar são um estado intermediário de curta duração de pares quark-antiquark dentro do núcleo - para o spin do núcleo. Com seus cálculos, o grupo deu um passo crucial para resolver o quebra-cabeça que provocou a crise do spin do próton.
Composição do spin do próton entre os quarks constituintes (colunas azuis e roxas com as linhas), quarks do mar (azul, colunas sólidas roxas e vermelhas) e glúons (coluna verde). Os erros são mostrados pelas barras. Crédito:Constantia Alexandrou et al.
Para calcular o spin das partículas, os pesquisadores precisam levar em conta a verdadeira massa física dos quarks. "Uma tarefa numericamente desafiadora, mas de fundamental importância para garantir que os valores dos parâmetros nas simulações correspondam à realidade, "diz Karl Jansen, cientista líder do DESY-Zeuthen e co-autor do projeto. A força forte agindo aqui, que é transmitido pelos glúons, é uma das quatro forças fundamentais da física. A força forte é, na verdade, forte o suficiente para impedir a remoção de um quark de um próton; está Propriedade, conhecido como confinamento, resulta em uma enorme energia de ligação que mantém juntos os constituintes do núcleo. Os pesquisadores usaram a massa do píon, um chamado méson, consistindo em um antiquark up e um down - os "quarks leves" - para fixar a massa dos quarks up e down à massa física do quark que entra nas simulações.
Se a massa do píon calculada a partir da simulação corresponder ao valor determinado experimentalmente, então os pesquisadores consideram que a simulação é feita com os valores físicos reais para a massa do quark. E é exatamente isso que Alexandrou e seus pesquisadores conseguiram em seu projeto, que foi publicado hoje na revista Cartas de revisão física .
Suas simulações também levaram em consideração os quarks de valência (quarks constituintes), quarks e glúons do mar. Os pesquisadores usaram a teoria de retículo da cromodinâmica quântica (retículo QCD) para calcular esse "mar" de partículas e suas interações QCD.
O maior desafio com as simulações foi reduzir os erros estatísticos no cálculo das "contribuições de spin" dos quarks e glúons do mar, diz Alexandrou. "Além disso, uma parte significativa foi realizar a renormalização dessas quantidades. "Em outras palavras, eles tiveram que converter os valores adimensionais determinados pelas simulações em um valor físico que pode ser medido experimentalmente - como o spin transportado pelo constituinte e quarks do mar e os glúons que os pesquisadores estavam procurando. Eles são os primeiros a incluir glúons em tais cálculos, o que exigiu o cálculo de milhões de "propagadores" que descrevem como os quarks se movem entre dois pontos no espaço-tempo.
"Tornar poderosos supercomputadores como Piz Daint abertos e disponíveis em toda a Europa é extremamente importante para a ciência europeia, "observa Jansen." Simulações tão elaboradas quanto essas só foram possíveis graças ao poder de Piz Daint, e porque pré-otimizamos nossos algoritmos para fazer o melhor uso dos processadores gráficos da máquina, "acrescentou Alexandrou.
