O núcleo atômico é um lugar movimentado. Seus prótons e nêutrons constituintes colidem ocasionalmente e se separam brevemente com grande impulso antes de se juntarem novamente como as duas extremidades de um elástico esticado. Usando uma nova técnica, os físicos que estudam essas colisões energéticas em núcleos leves encontraram algo surpreendente:prótons colidem com seus companheiros prótons e nêutrons com seus companheiros nêutrons com mais frequência do que o esperado.
A descoberta foi feita por uma equipe internacional de cientistas que inclui pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), usando o Continuous Electron Beam Accelerator Facility no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do DOE (Jefferson Lab) na Virgínia. Foi relatado em um artigo publicado hoje na revista Nature .

Compreender essas colisões é importante para interpretar dados em uma ampla gama de experimentos físicos que estudam partículas elementares. Também ajudará os físicos a entender melhor a estrutura das estrelas de nêutrons – núcleos colapsados ​​de estrelas gigantes que estão entre as formas mais densas de matéria do universo.

John Arrington, um cientista do Berkeley Lab, é um dos quatro porta-vozes da colaboração, e Shujie Li, o autor principal do artigo, é um pós-doutorando do Berkeley Lab. Ambos estão na Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab.

Prótons e nêutrons, as partículas que compõem os núcleos atômicos, são chamados coletivamente de nucleons. Em experimentos anteriores, os físicos estudaram colisões energéticas de dois nucleons em um punhado de núcleos variando de carbono (com 12 nucleons) a chumbo (com 208). Os resultados foram consistentes:colisões próton-nêutron representaram quase 95% de todas as colisões, com colisões próton-próton e nêutron-nêutron representando os 5% restantes.

O novo experimento no Jefferson Lab estudou colisões em dois "núcleos espelho" com três nucleons cada e descobriu que as colisões próton-próton e nêutron-nêutron foram responsáveis ​​por uma parcela muito maior do total - aproximadamente 20%. "Queríamos fazer uma medição significativamente mais precisa, mas não esperávamos que fosse drasticamente diferente", disse Arrington.

Usando uma colisão para estudar outra

Os núcleos atômicos são frequentemente descritos como aglomerados apertados de prótons e nêutrons presos juntos, mas esses núcleos estão constantemente orbitando um ao outro. "É como o sistema solar, mas muito mais cheio", disse Arrington. Na maioria dos núcleos, os nucleons passam cerca de 20% de suas vidas em estados excitados de alto momento resultantes de colisões de dois nucleons.

Para estudar essas colisões, os físicos zap núcleos com feixes de elétrons de alta energia. Ao medir a energia e o ângulo de recuo de um elétron espalhado, eles podem inferir a rapidez com que o núcleon atingido deve estar se movendo. "É como a diferença entre jogar uma bola de pingue-pongue em um para-brisa em movimento ou em um para-brisa estacionário", disse Arrington. Isso permite que eles identifiquem eventos nos quais um elétron se espalhou por um próton de alto momento que colidiu recentemente com outro nucleon.

Nessas colisões elétron-próton, o elétron que chega acumula energia suficiente para expulsar completamente o próton já excitado do núcleo. Isso quebra a interação tipo elástico que normalmente rege o par de nucleons excitado, de modo que o segundo nucleon também escapa do núcleo.

Em estudos anteriores de colisões de dois corpos, os físicos se concentraram em eventos de espalhamento nos quais detectaram o elétron rebote junto com os dois nucleons ejetados. Ao marcar todas as partículas, eles poderiam registrar o número relativo de pares próton-próton e pares próton-nêutron. Mas esses eventos de "tripla coincidência" são relativamente raros, e a análise exigiu uma contabilização cuidadosa de interações adicionais entre nucleons que poderiam distorcer a contagem.

Núcleos espelhados aumentam a precisão

Os autores do novo trabalho encontraram uma maneira de estabelecer o número relativo de pares próton-próton e próton-nêutron sem detectar os nucleons ejetados. O truque foi medir a dispersão de dois "núcleos espelho" com o mesmo número de nucleons:trítio, um isótopo raro de hidrogênio com um único próton e dois nêutrons, e hélio-3, que tem dois prótons e um único nêutron. O hélio-3 se parece com o trítio com prótons e nêutrons trocados, e essa simetria permitiu aos físicos distinguir colisões envolvendo prótons daquelas envolvendo nêutrons comparando seus dois conjuntos de dados.

O esforço do núcleo espelho começou depois que os físicos do Jefferson Lab fizeram planos para desenvolver uma célula de gás de trítio para experimentos de dispersão de elétrons - o primeiro uso desse isótopo raro e temperamental em décadas. Arrington e seus colaboradores viram uma oportunidade única de estudar colisões de dois corpos dentro do núcleo de uma nova maneira.

O novo experimento foi capaz de coletar muito mais dados do que experimentos anteriores porque a análise não exigia eventos raros de tripla coincidência. Isso permitiu que a equipe melhorasse a precisão das medições anteriores por um fator de dez. Eles não tinham motivos para esperar que as colisões de dois núcleos funcionassem de maneira diferente no trítio e no hélio-3 do que em núcleos mais pesados, então os resultados foram uma surpresa.

Os mistérios da força forte permanecem

A força nuclear forte é bem compreendida no nível mais fundamental, onde governa partículas subatômicas chamadas quarks e glúons. Mas, apesar dessas bases sólidas, as interações de partículas compostas como nucleons são muito difíceis de calcular. Esses detalhes são importantes para analisar dados em experimentos de alta energia que estudam quarks, glúons e outras partículas elementares como neutrinos. Eles também são relevantes para como os nucleons interagem nas condições extremas que prevalecem nas estrelas de nêutrons.

Arrington tem um palpite sobre o que pode estar acontecendo. O processo de espalhamento dominante dentro dos núcleos só acontece para pares próton-nêutron. Mas a importância desse processo em relação a outros tipos de espalhamento que não distinguem prótons de nêutrons pode depender da separação média entre nucleons, que tende a ser maior em núcleos leves como o hélio-3 do que em núcleos mais pesados.

Mais medições usando outros núcleos leves serão necessárias para testar essa hipótese. "Está claro que o hélio-3 é diferente do punhado de núcleos pesados ​​que foram medidos", disse Arrington. "Agora queremos pressionar por medições mais precisas em outros núcleos leves para obter uma resposta definitiva." + Explorar mais

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