Os cientistas estão segurando um "espelho" para prótons e nêutrons para aprender mais sobre as partículas que constroem nosso universo visível. O experimento MARATHON, realizado no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA, acessou novos detalhes sobre as estruturas dessas partículas comparando os chamados núcleos espelho, hélio-3 e tritão. Os resultados foram publicados recentemente em Cartas de Revisão Física .
As partículas fundamentais que formam a maior parte da matéria que vemos no universo – quarks e glúons – estão enterradas profundamente dentro dos prótons e nêutrons, os núcleos que compõem os núcleos atômicos. A existência de quarks e glúons foi confirmada pela primeira vez há meio século em experimentos vencedores do Prêmio Nobel realizados no Stanford Linear Accelerator Center do DOE (agora conhecido como SLAC National Accelerator Laboratory).

Esses experimentos inéditos introduziram a era do espalhamento inelástico profundo. Este método experimental usa elétrons de alta energia que viajam profundamente dentro de prótons e nêutrons para sondar os quarks e glúons lá.

“Quando dizemos espalhamento inelástico profundo, o que queremos dizer é que os núcleos bombardeados com elétrons no feixe se quebram instantaneamente, revelando os núcleons dentro deles quando os elétrons dispersos são capturados com sistemas de detecção de partículas de última geração”, disse Gerassimos ( Makis) Petratos, professor da Kent State University e porta-voz e pessoa de contato do experimento MARATHON.

Os enormes sistemas detectores de partículas que coletam os elétrons que emergem dessas colisões medem seus momentos – uma quantidade que inclui a massa e a velocidade dos elétrons.

Desde esses primeiros experimentos, cinco décadas atrás, experimentos de espalhamento inelástico profundo foram realizados em todo o mundo em vários laboratórios. Esses experimentos alimentaram a compreensão dos físicos nucleares sobre o papel dos quarks e glúons nas estruturas de prótons e nêutrons. Hoje, os experimentos continuam a ajustar esse processo para obter informações cada vez mais detalhadas.

No experimento MARATHON recentemente concluído, os físicos nucleares compararam os resultados de experimentos de espalhamento inelástico profundo pela primeira vez em dois núcleos espelho para aprender sobre suas estruturas. Os físicos optaram por se concentrar nos núcleos de hélio-3 e trítio, que é um isótopo de hidrogênio. Enquanto o hélio-3 tem dois prótons e um nêutron, o trítio tem dois nêutrons e um próton. Se você pudesse "espelhar" - transformar o hélio-3 convertendo todos os prótons em nêutrons e nêutrons em prótons, o resultado seria trítio. É por isso que eles são conhecidos como núcleos espelho.

"Usamos o sistema de núcleos espelho mais simples que existe, trítio e hélio-3, e é por isso que esse sistema é tão interessante", disse David Meekins, cientista da equipe do Jefferson Lab e co-porta-voz do experimento MARATHON.

"Acontece que, se medirmos a proporção de seções de choque nesses dois núcleos, podemos acessar as funções de estrutura dos prótons em relação aos nêutrons. Essas duas quantidades podem estar relacionadas à distribuição de quarks up e down dentro dos núcleos," disse Petratos.

Concebido pela primeira vez em um workshop de verão em 1999, o experimento MARATHON foi finalmente realizado em 2018 no Continuous Electron Beam Accelerator Facility do Jefferson Lab, uma instalação do usuário do DOE. Os mais de 130 membros da colaboração experimental MARATHON superaram muitos obstáculos para realizar o experimento.

Por exemplo, MARATHON exigiu os elétrons de alta energia que foram possibilitados pelo Projeto de Atualização 12 GeV CEBAF que foi concluído em 2017, bem como um sistema de destino especializado para trítio.

"Para este experimento individual, claramente o maior desafio foi o alvo. Sendo o trítio um gás radioativo, precisávamos garantir a segurança acima de tudo", explicou Meekins. "Isso faz parte da missão do laboratório:não há nada tão importante que possamos sacrificar a segurança."

O experimento enviou elétrons de 10,59 GeV (bilhões de elétron-volt) em quatro alvos diferentes no Experimental Hall A. Os alvos incluíam hélio-3 e três isótopos de hidrogênio, incluindo trítio. Os elétrons de saída foram coletados e medidos com os espectrômetros de alta resolução esquerdo e direito da sala.

Uma vez que a coleta de dados foi concluída, a colaboração trabalhou para analisar cuidadosamente os dados. A publicação final incluiu os dados originais para permitir que outros grupos usassem os dados sem modelo em suas próprias análises. Também ofereceu uma análise liderada por Petratos que se baseia em um modelo teórico com correções mínimas.

"O que queríamos deixar claro é que esta é a medição que fizemos, foi assim que fizemos, essa é a extração científica da medição e foi assim que fizemos isso", explica Meekins. "Não precisamos nos preocupar em favorecer qualquer modelo em detrimento de outro - qualquer um pode pegar os dados e aplicá-los."

Além de fornecer uma determinação precisa da razão das razões de função de estrutura próton/nêutron, os dados também incluem medições de momentos de elétrons mais altos desses núcleos espelho do que estavam disponíveis antes. Este conjunto de dados de alta qualidade também abre uma porta para análises detalhadas adicionais para responder a outras questões em física nuclear, como por que os quarks são distribuídos de forma diferente dentro dos núcleos em comparação com prótons e nêutrons livres (um fenômeno chamado efeito EMC) e outros estudos de as estruturas das partículas nos núcleos.

Ao discutir os resultados, os porta-vozes da MARATHON foram rápidos em creditar o trabalho árduo dos membros da colaboração pelos resultados finais.

"O sucesso deste experimento se deve ao excelente grupo de pessoas que participaram do experimento e também ao apoio que tivemos do Jefferson Lab", disse Mina Katramatou, professora da Kent State University e co-porta-voz do experimento MARATHON. "Também tivemos um grupo fantástico de jovens físicos trabalhando neste experimento, incluindo pesquisadores de pós-doutorado em início de carreira e estudantes de pós-graduação".

"Havia cinco estudantes de pós-graduação que obtiveram suas pesquisas de tese a partir desses dados", confirmou Meekins. "E são bons dados, fizemos um bom trabalho e foi difícil de fazer." + Explorar mais

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