Físicos resolveram enigma com 35 anos. Estava escondido dentro dos núcleos atómicos

Os cientistas sabem uma verdade misteriosa desde 1983: protões e neutrões agem de forma diferente quando estão dentro de um átomo, em vez de flutuarem livremente pelo espaço.

As partículas subatómicas que constituem estes protões e neutrões, chamados quarks, diminuem a velocidade quando estão confinados a um núcleo de um átomo.

Os físicos não gostaram disto, uma vez que os neutrões são neutrões mesmo que estejam dentro e fora do átomo. E os protões são protões. Tanto os protões como os neutrões são compostos por três partículas menores – quarks – unidas pelas força.

“Quando se coloca quarks num núcleo, começam a mover-se mais lentamente e isto é muito estranho”, disse o co-autor do estudo Or Hen, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. É estranho porque as interações poderosas entre quarks determinam principalmente a sua velocidade, enquanto forças que ligam o núcleo são supostamente muito fracas.

Não deveria haver outra força que modificasse o comportamento dos quarks num núcleo de forma tão intensa. Ainda assim, o efeito, chamado EMC, permanece – e, até recentemente, os cientistas não sabiam o que o causava.

Duas partículas num núcleo são tipicamente unidas por uma força de cerca de oito milhões de eletrão-volts (8 MeV), uma medida de energia em partículas. Quarks num protão ou neutrão são ligados por cerca de 1.000 MeV. Por isso, não faz sentido que as interações relativamente leves do núcleo estejam a impactar dramaticamente as interações poderosas dentro dos quarks.

Mas o efeito não parece um leve empurrão de uma força externa. Dependendo do núcleo envolvido, o tamanho aparente dos nucleões pode mudar de 10 a 20%. Num núcleo de ouro, por exemplo, protões e neutrões são 20% menores do que quando flutuam livremente.

Os físicos fizeram mais experiências, testando modelos diferentes que, um após o outro, falharam. “Ninguém conseguia explicar todos os dados e ficamos com um grande quebra-cabeça. Temos muitos dados agora, medições de como os quarks se movem dentro de todos os tipos de núcleos diferentes e não conseguimos explicar o que estava a acontecer”, referiu.

Em vez de tentar explicar todo o quebra-cabeça de uma só vez, Hen e os colegas decidiram examinar apenas um caso especial de interação de neutrões e protões. Na maioria das circunstâncias, protões e neutrões num núcleo não se sobrepõem. Em vez disso, respeitam os limites um do outro.

Mas, às vezes, os nucleões ligam-se dentro do núcleo existente e começam a sobrepor-se fisicamente, tornando-se no que os cientistas chamam de “pares correlacionados”. A qualquer momento, cerca de 20% dos nucleões de um núcleo se sobrepõem desta maneira.

Quando isto acontece, enormes quantidades de energia fluem entre os quarks, mudando fundamentalmente a sua estrutura e comportamento vinculados. Num artigo publicado na revista Nature, os investigadores argumentaram que este fluxo de energia explica precisamente o efeito EMC.

A equipa bombardeou muitos tipos diferentes de núcleos com eletrões e encontrou uma relação direta entre estes pares e o efeito EMC.

Os dados sugerem que os quarks na maioria dos nucleões não mudam quando entram no núcleo. Mas os poucos envolvidos em pares de nucleões mudam o seu comportamento de forma tão dramática que distorcem os resultados médios em qualquer experiência. O efeito EMC é o resultado de apenas uma minoria de anomalias.

A partir dos dados, a equipa derivou uma função matemática que descreve com precisão como o efeito EMC se comporta de um núcleo para outro. “Eles fizeram uma previsão, que foi mais ou menos confirmada”, disse Gerald Feldman, físico da George Washington University. Esta é uma forte evidência de que o efeito de emparelhamento é a resposta real para o mistério da EMC.

Depois de 35 anos, os físicos de partículas parecem ter resolvido este problema. Hen disse que ele e os colegas já têm experiências de acompanhamento planeados para investigar a questão ainda mais profundamente e revelar novas verdades desconhecidas sobre o comportamento de nucleões emparelhados dentro de átomos.

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