A assimetria no próton confunde os físicos, mas uma nova descoberta pode trazer de volta velhas teorias para explicá-la.

Simetria - exibida em áreas que variam de matemática e arte, para organismos vivos e galáxias - é uma importante estrutura subjacente na natureza. Caracteriza nosso universo e permite que seja estudado e compreendido.

Como a simetria é um tema tão difundido na natureza, os físicos ficam especialmente intrigados quando um objeto parece que deveria ser simétrico, mas não é. Quando os cientistas são confrontados com essas simetrias quebradas, é como se tivessem encontrado um objeto com um estranho reflexo no espelho.

O próton, uma partícula carregada positivamente que existe no centro de cada átomo, exibe assimetria em sua composição. Físicos do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e seus colaboradores investigaram recentemente os meandros dessa simetria quebrada conhecida por meio de um experimento conduzido no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi do DOE. Os resultados do experimento podem mudar a pesquisa do próton, revivendo teorias previamente descartadas de seu funcionamento interno.

O resultado desta experiência contradiz a conclusão de um estudo do final dos anos 90, também se apresentou no Fermilab. Os cientistas agora podem revisitar teorias para descrever a assimetria no próton que foram descartadas pelo antigo experimento.

Compreender as propriedades do próton ajuda os físicos a responder a algumas das questões mais fundamentais em toda a ciência, e investigando o mundo no menor nível, os cientistas estão avançando com a tecnologia que usamos todos os dias. Estudos do próton levaram ao desenvolvimento da terapia de prótons para o tratamento do câncer, medição da radiação de prótons durante viagens espaciais e até mesmo a compreensão da formação de estrelas e do universo inicial.

"Pudemos observar a dinâmica intrigante do próton, "disse o físico de Argonne, Don Geesaman, "e por meio deste experimento, a natureza está abrindo caminho para que conceitos em modelos mais antigos do próton tenham uma segunda análise. "

Matéria incompatível

Assim como as formas podem ter simetria, partículas podem, também. Um círculo perfeito consiste em dois semicírculos do mesmo tamanho voltados para direções opostas, e cada tipo de partícula no universo tem uma antipartícula da mesma massa com carga elétrica oposta.

Os blocos de construção do próton incluem partículas chamadas quarks, e suas antipartículas, chamados antiquarks. Eles vêm em "sabores", como up, baixa, anti-up e anti-down. Quarks e antiquarks são unidos dentro do próton por uma forte força nuclear. A força desta força pode puxar pares de quarks e antiquarks do nada, e esses pares existem por um curto período de tempo antes de se aniquilarem. Esse "mar" de quarks e antiquarks surgindo e desaparecendo está sempre presente dentro do próton.

Curiosamente, a qualquer momento, existem mais três quarks do que antiquarks:mais dois quarks up do que quarks anti-up, e um quark down a mais do que quarks anti-down. Em outras palavras, esses quarks incompatíveis não têm contrapartes de antimatéria. Essa assimetria é a razão pela qual os prótons são carregados positivamente, permitindo que os átomos - e, portanto, toda a matéria - existam.

"Ainda temos um entendimento incompleto dos quarks em um próton e como eles dão origem às propriedades do próton, "disse Paul Reimer, um físico Argonne no estudo. "A natureza fugaz dos pares quark-antiquark torna sua presença nos prótons difícil de estudar, mas neste experimento, detectamos a aniquilação dos antiquarks, que nos deu uma visão sobre a assimetria. "

O experimento determinou que sempre há mais quarks anti-down no próton do que quarks anti-up, não importa os momentos dos quarks. O significado desse resultado é sua contradição com a conclusão do experimento do Fermilab no final dos anos 90, o que sugeria que em momentos altos, a assimetria do próton se inverte, o que significa que os quarks anti-up começam a dominar os quarks anti-down.

"Projetamos o novo experimento para observar esses altos momentos para determinar se essa mudança realmente ocorre, "disse Reimer." Nós mostramos que há uma assimetria suave sem variação da proporção entre quarks anti-up e anti-down. "

Reconstruindo a aniquilação

Para sondar os quarks e antiquarks no próton, os cientistas dispararam feixes de prótons contra alvos e estudaram as consequências das colisões de partículas. Especificamente, eles estudaram o que acontece depois que um próton do feixe atinge um próton no alvo.

Quando os prótons colidem, quarks e antiquarks dos prótons se aniquilam. Então, duas novas partículas fundamentais chamadas múons surgem da aniquilação, atuando como a assinatura da interação. A partir dessas interações, os cientistas determinaram a proporção de quarks anti-up para quarks anti-down em uma faixa de momentos altos.

"Escolhemos medir múons porque eles podem atravessar o material melhor do que a maioria dos outros fragmentos de colisão, "disse Reimer. Entre os alvos e seus dispositivos de medição, a equipe colocou uma parede de ferro de cinco metros de espessura para impedir que outras partículas passassem e turvassem seus sinais.

Quando os múons atingem os dispositivos de medição no final de sua jornada, os cientistas reconstruíram as aniquilações de quark-antiquark a partir das medições, permitindo que eles confirmem o bom, proporção consistente de quarks anti-up para quarks anti-down.

Um segundo olhar

"O que pensamos ter visto no experimento anterior não é o que acontece, "disse Geesaman, que fez parte dos estudos atuais e anteriores. "Por que, no entanto? Essa é a próxima etapa. "

As teorias que foram rejeitadas depois de contradizerem os resultados do experimento anterior agora fornecem uma ótima descrição dos novos dados, e os cientistas podem revisitá-los com maior confiança por causa desse experimento. Essas teorias fornecerão novos experimentos sobre assimetria no próton e outras partículas, adicionando à nossa compreensão da teoria em torno dos quarks.

Pistas sobre a natureza dos quarks no próton levam, em última análise, a uma melhor compreensão do núcleo atômico. Compreender o núcleo pode desmistificar as propriedades do átomo e como os diferentes elementos químicos reagem uns com os outros. A pesquisa de prótons abrange campos como a química, astronomia, cosmologia e biologia, levando a avanços na medicina, ciência dos materiais e muito mais.

"Você precisa experimentar para liderar a teoria do pensamento e da restrição, e aqui, estávamos procurando a natureza para nos dar uma visão sobre a dinâmica do próton, "disse Geesaman." É um ciclo entrelaçado de experimentos e teorias que leva a pesquisas impactantes. "

Um artigo sobre o estudo, "A assimetria da antimatéria no próton", foi publicado em Natureza em 24 de fevereiro.