Tente imaginar um próton — a minúscula partícula carregada positivamente dentro de um núcleo atômico — e você poderá imaginar um diagrama familiar de livro didático:um feixe de bolas de bilhar representando quarks e glúons. Do modelo de esfera sólida proposto pela primeira vez por John Dalton em 1803 ao modelo quântico apresentado por Erwin Schrödinger em 1926, há uma linha do tempo histórica de físicos tentando visualizar o invisível.
Agora, o professor de física do MIT Richard Milner, os físicos do Jefferson Laboratory Rolf Ent e Rik Yoshida, os documentaristas do MIT Chris Boebel e Joe McMaster e James LaPlante da Sputnik Animation se uniram para retratar o mundo subatômico de uma nova maneira. Apresentado pelo MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) e pelo Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" é uma animação original do próton, destinada ao uso em salas de aula do ensino médio. Ent e Milner apresentaram a animação em palestras contribuídas na reunião de abril da American Physics Society e também a compartilharam em um evento comunitário organizado pelo MIT Open Space Programming em 20 de abril. Além da animação, um pequeno documentário sobre o processo colaborativo está em andamento.

É um projeto em que Milner e Ent vêm pensando desde pelo menos 2004, quando Frank Wilczek, professor de física Herman Feshbach no MIT, compartilhou uma animação em sua palestra do Nobel sobre cromodinâmica quântica (QCD), uma teoria que prevê a existência de glúons no próton. "Há uma linhagem enormemente forte do MIT para o assunto", aponta Milner, também referenciando o Prêmio Nobel de Física de 1990, concedido a Jerome Friedman e Henry Kendall do MIT e Richard Taylor do SLAC National Accelerator Laboratory por suas pesquisas pioneiras confirmando a existência de quarks.

Para começar, os físicos pensaram que a animação seria um meio eficaz para explicar a ciência por trás do Electron Ion Collider, um novo acelerador de partículas do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências - que muitos professores do MIT, incluindo Milner, bem como colegas como Ent , há muito defendem. Além disso, as representações do próton são inerentemente limitadas, incapazes de representar o movimento de quarks e glúons. "Partes essenciais da física envolvem animação, cor, partículas se aniquilando e desaparecendo, mecânica quântica, relatividade. É quase impossível transmitir isso sem animação", diz Milner.

Em 2017, Milner foi apresentado a Boebel e McMaster, que por sua vez colocaram LaPlante a bordo. Milner "tinha a intuição de que uma visualização de seu trabalho coletivo seria muito, muito valiosa", lembra Boebel sobre o início do projeto. Eles se inscreveram para uma bolsa do corpo docente CAST e a ideia da equipe começou a ganhar vida.

“O Comitê de Seleção do CAST ficou intrigado com o desafio e o viu como uma oportunidade maravilhosa para destacar o processo envolvido na animação do próton, bem como a animação em si”, diz Leila Kinney, diretora executiva de iniciativas artísticas e do CAST. "As verdadeiras colaborações arte-ciência são mais complexas do que projetos de comunicação científica ou de visualização científica. Elas envolvem a reunião de modos diferentes e igualmente sofisticados de fazer descobertas criativas e decisões interpretativas. É importante entender as possibilidades, limitações e escolhas já incorporadas no tecnologia visual selecionada para visualizar o próton. Esperamos que as pessoas tenham uma melhor compreensão da interpretação visual como um modo de investigação crítica e produção de conhecimento, bem como física."

Boebel e McMaster filmaram o processo de criação de tal interpretação visual nos bastidores. "É sempre um desafio quando você reúne pessoas que são realmente especialistas de classe mundial, mas de áreas diferentes, e pede que falem sobre algo técnico", diz McMaster sobre os esforços da equipe para produzir algo cientificamente preciso e visualmente atraente. "O entusiasmo deles é realmente contagiante."

Em fevereiro de 2020, o animador LaPlante recebeu os cientistas e cineastas em seu estúdio no Maine para compartilhar sua primeira ideia. Embora entender o mundo da física quântica represente um desafio único, ele explica:"Uma das vantagens que tenho é que não tenho formação científica. Meu objetivo é sempre entender a ciência e depois descobrir, "OK, bem, como é?"

Glúons, por exemplo, foram descritos como molas, elásticos e vácuos. LaPlante imaginou a partícula, pensada para manter os quarks juntos, como um tubo de lodo. Se você colocar o punho fechado e tentar abri-lo, criará um vácuo de ar, dificultando a abertura do punho porque o material ao redor quer puxá-lo.

LaPlante também foi inspirado a usar seu software 3D para "congelar o tempo" e voar em torno de um próton imóvel, apenas para os físicos informarem que tal interpretação era imprecisa com base nos dados existentes. Os aceleradores de partículas só podem detectar uma fatia bidimensional. Na verdade, dados tridimensionais são algo que os cientistas esperam capturar em seu próximo estágio de experimentação. Todos eles se depararam com a mesma parede – e a mesma pergunta – apesar de abordar o assunto de maneiras totalmente diferentes.

"Minha arte é realmente sobre clareza de comunicação e tentar levar ciência complexa a algo que seja compreensível", diz LaPlante. Assim como na ciência, errar muitas vezes é o primeiro passo de seu processo artístico. No entanto, sua tentativa inicial na animação foi um sucesso entre os físicos, e eles refinaram com entusiasmo o projeto sobre o Zoom.

“Existem dois botões básicos que os experimentalistas podem discar quando espalhamos um elétron de um próton em alta energia”, explica Milner, bem como a resolução espacial e a velocidade do obturador na fotografia. "Essas variáveis ​​de câmera têm analogias diretas na linguagem matemática dos físicos que descrevem essa dispersão."

À medida que o "tempo de exposição", ou Bjorken-X, que em QCD é a interpretação física da fração do momento do próton carregado por um quark ou glúon, é reduzido, você vê o próton como um número quase infinito de glúons e quarks se movendo muito rapidamente. Se Bjorken-X for aumentado, você verá três bolhas, ou quarks Valence, em vermelho, azul e verde. À medida que a resolução espacial é discada, o próton deixa de ser um objeto esférico para um objeto em forma de panqueca.

"Achamos que inventamos uma nova ferramenta", diz Milner. "Há questões científicas básicas:como os glúons são distribuídos em um próton? Eles são uniformes? Eles estão agrupados? Não sabemos. Essas são questões básicas e fundamentais que podemos animar. Achamos que é uma ferramenta de comunicação, compreensão , e discussão científica.

"Este é o começo. Espero que as pessoas vejam ao redor do mundo e se inspirem." + Explorar mais

Examinando as origens do spin do próton

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