O poder da gravidade está em grande escala em todo o nosso universo visível. Isso pode ser visto no passo de bloqueio das luas enquanto elas circundam os planetas; em cometas errantes desviados do curso por estrelas massivas; e no redemoinho de galáxias gigantescas. Essas exibições impressionantes mostram a influência da gravidade nas maiores escalas da matéria. Agora, os físicos nucleares estão a descobrir que a gravidade também tem muito a oferecer nas menores escalas da matéria.



Uma nova pesquisa conduzida por físicos nucleares do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, está usando um método que conecta as teorias da gravitação às interações entre as menores partículas de matéria para revelar novos detalhes nesta escala menor. A investigação revelou agora, pela primeira vez, um instantâneo da distribuição da força forte dentro do protão. Este instantâneo detalha a tensão de cisalhamento que a força pode exercer sobre as partículas de quark que constituem o próton. O resultado foi publicado recentemente em Reviews of Modern Physics .

De acordo com o principal autor do estudo, Volker Burkert, cientista principal do Jefferson Lab, a medição revela informações sobre o ambiente experimentado pelos blocos de construção do próton. Os prótons são constituídos por três quarks unidos pela força forte.

“No seu auge, isto é mais do que uma força de quatro toneladas que seria necessário aplicar a um quark para o retirar do protão”, explicou Burkert. “A natureza, é claro, não nos permite separar apenas um quark do próton por causa de uma propriedade dos quarks chamada ‘cor’. Existem três cores que misturam quarks no próton para fazê-lo parecer incolor visto de fora, um requisito para sua existência no espaço.

"Tentar extrair um quark colorido do próton produzirá um par quark/anti-quark incolor, um méson, usando a energia que você colocou para tentar separar o quark, deixando um próton (ou nêutron) incolor para trás. Então, as 4 toneladas são uma ilustração da intensidade da força intrínseca ao próton."

O resultado é apenas a segunda propriedade mecânica do próton a ser medida. As propriedades mecânicas do próton incluem sua pressão interna, sua distribuição de massa (tamanho físico), seu momento angular e sua tensão de cisalhamento. O resultado foi possível graças a uma previsão de meio século e a dados de duas décadas.

Em meados da década de 1960, teorizou-se que se os físicos nucleares pudessem ver como a gravidade interage com partículas subatômicas, como o próton, tais experimentos poderiam revelar diretamente as propriedades mecânicas do próton.

"Mas naquela época não havia como. Se você comparar a gravidade com a força eletromagnética, por exemplo, há 39 ordens de magnitude de diferença - então é completamente impossível, certo?" explicou Latifa Elouadhriri, cientista da equipe do Jefferson Lab e coautora do estudo.

Os dados de décadas vieram de experimentos conduzidos com o Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) do Jefferson Lab, uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Um experimento CEBAF típico envolveria um elétron energético interagindo com outra partícula, trocando um pacote de energia e uma unidade de momento angular chamada fóton virtual com a partícula. A energia do elétron determina com quais partículas ele interage dessa forma e como elas respondem.

Na experiência, uma força ainda muito maior do que as quatro toneladas necessárias para extrair um par quark/antiquark foi aplicada ao protão pelo feixe de electrões altamente energético interagindo com o protão num alvo de gás hidrogénio liquefeito.

"Desenvolvemos o programa para estudar profundamente o espalhamento Compton virtual. É aqui que você tem um elétron trocando um fóton virtual com o próton. E no estado final, o próton permaneceu o mesmo, mas recuou, e você tem um fóton real altamente energético produzido, mais o elétron espalhado", disse Elouadhriri. “No momento em que coletamos os dados, não sabíamos que, além da imagem tridimensional que pretendíamos com esses dados, também estávamos coletando os dados necessários para acessar as propriedades mecânicas do próton”.

Acontece que este processo específico – espalhamento Compton profundamente virtual (DVCS) – pode estar ligado à forma como a gravidade interage com a matéria. A versão geral desta conexão foi declarada no livro de 1973 sobre a teoria geral da relatividade de Einstein intitulado "Gravitação", de Charles W. Misner, Kip S. Thorne e John Archibald Wheeler.

Nele, eles escreveram:"Qualquer campo de spin-2 sem massa daria origem a uma força indistinguível da gravitação, porque um campo de spin-2 sem massa se acoplaria ao tensor tensão-energia da mesma forma que as interações gravitacionais fazem ."

Três décadas depois, o teórico Maxim Polyakov deu continuidade a essa ideia estabelecendo a base teórica que conecta o processo DVCS e a interação gravitacional.

"Este avanço na teoria estabeleceu a relação entre a medição do espalhamento Compton profundamente virtual e o fator de forma gravitacional. E fomos capazes de usar isso pela primeira vez e extrair a pressão que fizemos na Natureza artigo em 2018, e agora a força normal e a força de cisalhamento", explicou Burkert.

Uma descrição mais detalhada das conexões entre o processo DVCS e a interação gravitacional pode ser encontrada neste artigo que descreve o primeiro resultado obtido nesta pesquisa.

Os pesquisadores dizem que o próximo passo é trabalhar na extração das informações necessárias dos dados DVCS existentes para permitir a primeira determinação do tamanho mecânico do próton. Eles também esperam aproveitar as vantagens de experimentos mais recentes, com estatísticas e energia mais altas, que dão continuidade à pesquisa do DVCS no próton.

Entretanto, os co-autores do estudo ficaram surpreendidos com a infinidade de novos esforços teóricos, detalhados em centenas de publicações teóricas, que começaram a explorar esta via recém-descoberta para explorar as propriedades mecânicas do protão.

"E também, agora que estamos nesta nova era de descobertas com o Plano de Ciência Nuclear de Longo Alcance de 2023 lançado recentemente. Este será um pilar importante na direção da ciência com novas instalações e novos desenvolvimentos de detectores. Estamos ansiosos para ver mais do que pode ser feito", disse Burkert.

Elouadhriri concorda.

“E na minha opinião, este é apenas o começo de algo muito maior que está por vir. Já mudou a forma como pensamos sobre a estrutura do próton”, disse ela.

“Agora, podemos expressar a estrutura das partículas subnucleares em termos de forças, pressão e tamanhos físicos com os quais também os não-físicos podem se identificar”, acrescentou Burkert.

Mais informações: VD Burkert et al, Colóquio:Fatores de forma gravitacional do próton, Reviews of Modern Physics (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002
Informações do diário: Revisões da Física Moderna , Natureza

Fornecido por Thomas Jefferson National Accelerator Facility