As estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos conhecidos no universo, resistir a pressões tão grandes que uma colher de chá do material de uma estrela equivaleria a cerca de 15 vezes o peso da lua. No entanto, ao que parece, prótons - as partículas fundamentais que constituem a maior parte da matéria visível no universo - contêm pressões ainda mais altas.

Pela primeira vez, Os físicos do MIT calcularam a distribuição de pressão de um próton, e descobri que a partícula contém um núcleo altamente pressurizado que, em seu ponto mais intenso, está gerando pressões maiores do que as encontradas dentro de uma estrela de nêutrons.

Este núcleo empurra para fora do centro do próton, enquanto a região circundante empurra para dentro. (Imagine uma bola de beisebol tentando se expandir dentro de uma bola de futebol que está entrando em colapso.) As pressões concorrentes atuam para estabilizar a estrutura geral do próton.

Os resultados dos físicos, publicado hoje em Cartas de revisão física , representam a primeira vez que os cientistas calcularam a distribuição de pressão de um próton levando em consideração as contribuições de quarks e glúons, o próton é fundamental, constituintes subnucleares.

"A pressão é um aspecto fundamental do próton sobre o qual sabemos muito pouco no momento, "diz a autora principal Phiala Shanahan, professor assistente de física no MIT. "Agora descobrimos que quarks e glúons no centro do próton estão gerando uma pressão externa significativa, e mais além, há uma pressão restritiva. Com este resultado, estamos nos dirigindo para uma imagem completa da estrutura do próton. "

Shanahan realizou o estudo com o co-autor William Detmold, professor associado de física do MIT.

Quarks notáveis

Em maio de 2018, físicos do Departamento de Energia dos EUA Thomas Jefferson National Accelerator Facility anunciaram que mediram a distribuição de pressão do próton pela primeira vez, usando um feixe de elétrons que eles dispararam contra um alvo feito de hidrogênio. Os elétrons interagiram com os quarks dentro dos prótons no alvo. Os físicos então determinaram a distribuição de pressão por todo o próton, com base na forma como os elétrons se espalharam do alvo. Seus resultados mostraram um centro de alta pressão no próton que, em seu ponto de maior pressão, media cerca de 10 ³⁵ pascal, ou 10 vezes a pressão dentro de uma estrela de nêutrons.

Contudo, Shanahan diz que a imagem da pressão do próton estava incompleta.

"Eles encontraram um resultado bastante notável, "Shanahan diz." Mas esse resultado estava sujeito a uma série de suposições importantes que eram necessárias devido ao nosso entendimento incompleto. "

Especificamente, os pesquisadores basearam suas estimativas de pressão nas interações dos quarks de um próton, mas não seus glúons. Os prótons consistem em quarks e glúons, que interagem continuamente de forma dinâmica e flutuante dentro do próton. A equipe do Jefferson Lab só foi capaz de determinar as contribuições dos quarks com seu detector, que Shanahan diz que deixa de fora uma grande parte da contribuição de pressão de um próton.

"Nos últimos 60 anos, construímos um bom entendimento do papel dos quarks na estrutura do próton, "ela diz." Mas a estrutura do glúon está longe, muito mais difícil de entender, pois é notoriamente difícil de medir ou calcular. "

Uma mudança de glúon

Em vez de medir a pressão de um próton usando aceleradores de partículas, Shanahan e Detmold procuraram incluir o papel dos glúons usando supercomputadores para calcular as interações entre quarks e glúons que contribuem para a pressão de um próton.

"Dentro de um próton, há um vácuo quântico borbulhante de pares de quarks e antiquarks, bem como glúons, aparecendo e desaparecendo, "Shanahan diz." Nossos cálculos incluem todas essas flutuações dinâmicas. "

Para fazer isso, a equipe empregou uma técnica em física conhecida como lattice QCD, para cromodinâmica quântica, que é um conjunto de equações que descreve a força forte, uma das três forças fundamentais do modelo padrão da física de partículas. (Os outros dois são a força fraca e eletromagnética.) A força forte é o que une quarks e glúons para formar um próton.

Cálculos de grade QCD usam uma grade quadridimensional, ou treliça, de pontos para representar as três dimensões do espaço e uma do tempo. Os pesquisadores calcularam a pressão dentro do próton usando as equações da Cromodinâmica Quântica definidas na rede.

"É extremamente exigente em termos computacionais, então usamos os supercomputadores mais poderosos do mundo para fazer esses cálculos, "Shanahan explica.

A equipe passou cerca de 18 meses executando várias configurações de quarks e gluons por meio de vários supercomputadores diferentes, então determinou a pressão média em cada ponto do centro do próton, até sua borda.

Comparado com os resultados do Jefferson Lab, Shanahan e Detmold descobriram que, incluindo a contribuição dos glúons, a distribuição de pressão no próton mudou significativamente.

"Vimos a contribuição do glúon para a distribuição de pressão pela primeira vez, e podemos realmente ver que em relação aos resultados anteriores, o pico se tornou mais forte, e a distribuição de pressão se estende ainda mais a partir do centro do próton, "Shanahan diz.

Em outras palavras, parece que a pressão mais alta no próton é cerca de 10 ³⁵ pascal, ou 10 vezes mais do que uma estrela de nêutrons, semelhante ao que os pesquisadores do Jefferson Lab relataram. A região circundante de baixa pressão se estende além do que foi estimado anteriormente.

A confirmação desses novos cálculos exigirá detectores muito mais poderosos, como o colisor elétron-íon, um acelerador de partículas proposto que os físicos pretendem usar para sondar as estruturas internas de prótons e nêutrons, com mais detalhes do que nunca, incluindo glúons.

"Estamos começando a entender quantitativamente o papel dos glúons em um próton, "Shanahan diz." Ao combinar a contribuição do quark medida experimentalmente, com nosso novo cálculo do pedaço de glúon, temos a primeira imagem completa da pressão do próton, que é uma previsão que pode ser testada no novo colisor nos próximos 10 anos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.