A maioria da matéria comum é mantida unida por uma cola subatômica invisível conhecida como a força nuclear forte - uma das quatro forças fundamentais da natureza, junto com a gravidade, eletromagnetismo, e a força fraca. A força nuclear forte é responsável por empurrar e puxar entre prótons e nêutrons no núcleo de um átomo, que impede um átomo de entrar em colapso sobre si mesmo.

Em núcleos atômicos, a maioria dos prótons e nêutrons estão distantes o suficiente para que os físicos possam prever com precisão suas interações. Contudo, essas previsões são desafiadas quando as partículas subatômicas estão tão próximas que estão praticamente em cima umas das outras.

Embora essas interações de distância ultracurta sejam raras na maior parte da matéria na Terra, eles definem os núcleos das estrelas de nêutrons e outros objetos astrofísicos extremamente densos. Desde que os cientistas começaram a explorar a física nuclear, eles têm se esforçado para explicar como a força nuclear forte atua em distâncias ultracurtas.

Agora, os físicos do MIT e de outros lugares caracterizaram pela primeira vez a força nuclear forte, e as interações entre prótons e nêutrons, em distâncias extremamente curtas.

Eles realizaram uma extensa análise de dados em experimentos anteriores com aceleradores de partículas, e descobri que à medida que a distância entre prótons e nêutrons se torna mais curta, uma transição surpreendente ocorre em suas interações. Onde, em grandes distâncias, a força nuclear forte atua principalmente para atrair um próton para um nêutron, em distâncias muito curtas, a força torna-se essencialmente indiscriminada:as interações podem ocorrer não apenas para atrair um próton para um nêutron, mas também para repelir, ou separar pares de nêutrons.

"Este é o primeiro olhar muito detalhado sobre o que acontece com a força nuclear forte em distâncias muito curtas, "diz Or Hen, professor assistente de física no MIT. "Isso tem implicações enormes, principalmente para estrelas de nêutrons e também para a compreensão dos sistemas nucleares como um todo. "

Hen e seus colegas publicaram seus resultados na revista Natureza . Seus co-autores incluem o primeiro autor Axel Schmidt Ph.D. '16, um ex-aluno de graduação e pós-doutorado, junto com o estudante de graduação Jackson Pybus, o estudante de graduação Adin Hrnjic e outros colegas do MIT, a Universidade Hebraica, Universidade de Telavive, Old Dominion University, e membros da Colaboração CLAS, um grupo multi-institucional de cientistas envolvidos com o CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), um acelerador de partículas no Laboratório Jefferson em Newport News, Virgínia.

Instantâneo da queda da estrela

As interações de distância ultracurta entre prótons e nêutrons são raras na maioria dos núcleos atômicos. Detectá-los requer agredir átomos com um grande número de elétrons de energia extremamente alta, uma fração do qual pode ter uma chance de expulsar um par de nucleons (prótons ou nêutrons) movendo-se em grande momento - uma indicação de que as partículas devem estar interagindo a distâncias extremamente curtas.

"Para fazer esses experimentos, você precisa de aceleradores de partículas de alta corrente, "Diz Hen." É apenas recentemente que temos a capacidade do detector, e entender os processos bem o suficiente para fazer esse tipo de trabalho. "

Hen e seus colegas procuraram as interações minerando dados previamente coletados pelo CLAS, um detector de partículas do tamanho de uma casa no Jefferson Laboratory; o acelerador JLab produz feixes de elétrons de alta intensidade e alta energia sem precedentes. O detector CLAS esteve operacional de 1988 a 2012, e os resultados desses experimentos já estão disponíveis para os pesquisadores procurarem outros fenômenos enterrados nos dados.

Em seu novo estudo, os pesquisadores analisaram um tesouro de dados, no valor de alguns quatrilhões de elétrons atingindo núcleos atômicos no detector CLAS. O feixe de elétrons foi direcionado para folhas feitas de carbono, liderar, alumínio, e ferro, cada um com átomos de proporções variáveis ​​de prótons para nêutrons. Quando um elétron colide com um próton ou nêutron em um átomo, a energia na qual ele se espalha é proporcional à energia e ao momento do núcleo correspondente.

"Se eu souber o quão forte eu chutei algo e quão rápido saiu, Posso reconstruir o momento inicial da coisa que foi chutada, "Hen explica.

Com esta abordagem geral, a equipe examinou os quatrilhões de colisões de elétrons e conseguiu isolar e calcular o momento de várias centenas de pares de núcleons de alto momento. Hen compara esses pares a "gotículas de estrelas de nêutrons, "como seu ímpeto, e sua distância inferida entre si, é semelhante às condições extremamente densas no núcleo de uma estrela de nêutrons.

Eles trataram cada par isolado como um "instantâneo" e organizaram as várias centenas de instantâneos ao longo de uma distribuição de momentum. Na extremidade inferior desta distribuição, eles observaram uma supressão de pares próton-próton, indicando que a força nuclear forte atua principalmente para atrair prótons para nêutrons em um momento intermediário alto, e distâncias curtas.

Mais adiante na distribuição, eles observaram uma transição:parecia haver mais próton-próton e, por simetria, pares nêutron-nêutron, sugerindo que, no momento mais alto, ou distâncias cada vez mais curtas, a força nuclear forte age não apenas sobre prótons e nêutrons, mas também em prótons e prótons e nêutrons e nêutrons. Esta força de emparelhamento é considerada de natureza repulsiva, o que significa que em distâncias curtas, nêutrons interagem repelindo-se fortemente.

"Essa ideia de um núcleo repulsivo na força nuclear forte é algo lançado como essa coisa mítica que existe, mas não sabemos como chegar lá, como este portal de outro reino, "Schmidt diz." E agora temos dados em que essa transição está diante de nós, e isso foi realmente surpreendente. "

Os pesquisadores acreditam que essa transição na força nuclear forte pode ajudar a definir melhor a estrutura de uma estrela de nêutrons. Hen já havia encontrado evidências de que no núcleo externo das estrelas de nêutrons, os nêutrons emparelham principalmente com os prótons por meio da forte atração. Com seu novo estudo, os pesquisadores encontraram evidências de que, quando as partículas são embaladas em configurações muito mais densas e separadas por distâncias mais curtas, a força nuclear forte cria uma força repulsiva entre nêutrons que, no núcleo de uma estrela de nêutrons, ajuda a evitar que a estrela entre em colapso.

Menos de um saco de quarks

A equipe fez duas descobertas adicionais. Para um, suas observações correspondem às previsões de um modelo surpreendentemente simples que descreve a formação de correlações de curto alcance devido à forte força nuclear. Para outro, contra as expectativas, o núcleo de uma estrela de nêutrons pode ser descrito estritamente pelas interações entre prótons e nêutrons, sem a necessidade de explicar explicitamente as interações mais complexas entre os quarks e os glúons que constituem os núcleons individuais.

Quando os pesquisadores compararam suas observações com vários modelos existentes da força nuclear forte, eles encontraram uma correspondência notável com as previsões de Argonne V18, um modelo desenvolvido por um grupo de pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne, que considerou 18 maneiras diferentes de núcleos podem interagir, como eles são separados por distâncias cada vez mais curtas.

Isso significa que se os cientistas desejam calcular as propriedades de uma estrela de nêutrons, Hen diz que eles podem usar este modelo particular de Argonne V18 para estimar com precisão as interações de força nuclear forte entre pares de núcleons no núcleo. Os novos dados também podem ser usados ​​para avaliar abordagens alternativas para modelar os núcleos de estrelas de nêutrons.

O que os pesquisadores acharam mais interessante foi que este mesmo modelo, como está escrito, descreve a interação de núcleons em distâncias extremamente curtas, sem levar explicitamente em conta quarks e glúons. Os físicos presumiram que, em casos extremamente densos, ambientes caóticos, como núcleos de estrelas de nêutrons, as interações entre nêutrons devem dar lugar às forças mais complexas entre quarks e glúons. Como o modelo não leva em conta essas interações mais complexas, e porque suas previsões em curtas distâncias correspondem às observações da equipe, Hen diz que é provável que o núcleo de uma estrela de nêutrons possa ser descrito de uma maneira menos complicada.

"As pessoas presumiram que o sistema é tão denso que deveria ser considerado uma sopa de quarks e glúons, "Hen explica." Mas descobrimos que mesmo nas densidades mais altas, podemos descrever essas interações usando prótons e nêutrons; eles parecem manter suas identidades e não se transformam neste saco de quarks. Portanto, os núcleos das estrelas de nêutrons poderiam ser muito mais simples do que as pessoas pensavam. É uma grande surpresa. "