Os físicos nucleares têm trabalhado há muito tempo para revelar como o próton gira. Agora, um novo método que combina dados experimentais com cálculos de última geração revelou uma imagem mais detalhada das contribuições de spin da própria cola que mantém os prótons unidos. Ele também abre caminho para a geração de imagens da estrutura 3D do próton.



O trabalho foi liderado por Joseph Karpie, associado de pós-doutorado no Centro de Física Teórica e Computacional (Centro de Teoria) do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA.

Ele disse que este mistério de décadas começou com medições das fontes do spin do próton em 1987. Os físicos originalmente pensavam que os blocos de construção do próton, seus quarks, seriam a principal fonte do spin do próton. Mas não foi isso que eles encontraram. Descobriu-se que os quarks do próton fornecem apenas cerca de 30% do spin total medido do próton. O resto provém de duas outras fontes que até agora se revelaram mais difíceis de medir.

Uma é a força forte misteriosa, mas poderosa. A força forte é uma das quatro forças fundamentais do universo. É o que “cola” os quarks para formar outras partículas subatômicas, como prótons ou nêutrons. As manifestações desta força forte são chamadas de glúons, que se acredita contribuírem para a rotação do próton. Acredita-se que o último giro venha dos movimentos dos quarks e glúons do próton.

"Este artigo é uma espécie de reunião de dois grupos do Centro de Teoria que têm trabalhado para tentar entender a mesma parte da física, que é como os glúons que estão dentro dela contribuem para o quanto o próton está girando. ," ele disse.

Ele disse que este estudo foi inspirado por um resultado intrigante obtido a partir de medições experimentais iniciais do spin dos glúons. As medições foram feitas no Relativistic Heavy Ion Collider, uma instalação do DOE Office of Science com sede no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York. Os dados inicialmente pareciam indicar que os glúons podem estar contribuindo para o spin do próton. Eles mostraram um resultado positivo.

Mas à medida que a análise dos dados foi melhorada, surgiu outra possibilidade.

“Quando melhoraram a sua análise, começaram a obter dois conjuntos de resultados que pareciam bastante diferentes, um positivo e outro negativo”, explicou Karpie.

Embora o resultado positivo anterior indicasse que os spins dos glúons estão alinhados com os do próton, a análise melhorada permitiu a possibilidade de que os spins dos glúons tenham uma contribuição global negativa. Nesse caso, uma maior parte do spin do próton viria do movimento dos quarks e glúons, ou do spin dos próprios quarks.

Este resultado intrigante foi publicado pela colaboração Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).

Enquanto isso, a colaboração HadStruc abordava as mesmas medições de uma maneira diferente. Eles estavam usando supercomputadores para calcular a teoria subjacente que descreve as interações entre quarks e glúons no próton, a Cromodinâmica Quântica (QCD).

Para equipar os supercomputadores para fazer esse cálculo intenso, os teóricos simplificam um pouco alguns aspectos da teoria. Esta versão um tanto simplificada para computadores é chamada de QCD de rede.

Karpie liderou o trabalho para reunir os dados de ambos os grupos. Ele começou com os dados combinados de experimentos realizados em instalações ao redor do mundo. Ele então adicionou os resultados do cálculo da rede QCD em sua análise.

"Isto é juntar tudo o que sabemos sobre o spin dos quarks e dos glúons e como os glúons contribuem para o spin do próton em uma dimensão", disse David Richards, cientista sênior da equipe do Jefferson Lab que trabalhou no estudo.

“Quando o fizemos, vimos que as coisas negativas não desapareceram, mas mudaram dramaticamente. Isso significa que há algo engraçado acontecendo com elas”, disse Karpie.

Karpie é o autor principal do estudo publicado recentemente na Physical Review D . Ele disse que a principal conclusão é que a combinação dos dados de ambas as abordagens proporcionou um resultado mais informado.

"Estamos combinando nossos dois conjuntos de dados e obtendo um resultado melhor do que qualquer um de nós poderia obter independentemente. Isso realmente mostra que aprendemos muito mais combinando QCD de rede e experimentando juntos em uma análise de problema", disse Karpie. "Este é o primeiro passo, e esperamos continuar fazendo isso com cada vez mais observáveis, bem como produzir mais dados de rede."

A próxima etapa é melhorar ainda mais os conjuntos de dados. À medida que experimentos mais poderosos fornecem informações mais detalhadas sobre o próton, esses dados começam a pintar um quadro que vai além de uma dimensão. E à medida que os teóricos aprendem como melhorar os seus cálculos em supercomputadores cada vez mais poderosos, as suas soluções também se tornam mais precisas e inclusivas.

O objetivo é eventualmente produzir uma compreensão tridimensional da estrutura do próton.

"Assim, aprendemos que nossas ferramentas funcionam no cenário unidimensional mais simples. Ao testar nossos métodos agora, esperamos saber o que precisamos fazer quando quisermos avançar para a estrutura 3D", disse Richards. "Este trabalho contribuirá para esta imagem 3D de como um próton deveria ser. Portanto, trata-se de construir nosso caminho até o cerne do problema, fazendo essas coisas mais fáceis agora."