A pressão interna de um protão é maior do que a de uma estrela de neutrões

University of Warwick/Mark Garlick

Colisão de duas estrelas de neutrões

O protão é uma das partículas fundamentais da matéria. Por isso, os cientistas têm estudado esta partícula durante anos de forma a entender melhor as suas propriedades. Agora, uma tarefa que parecia impossível foi realizada pela primeira vez: os físicos conseguiram medir a pressão dentro de um protão, e o resultado é nada menos do que impressionante.

Ao disparar eletrões de alta energia nos protões, os investigadores mediram o impulso e a tração do trio de quarks dentro do protão, fornecendo informações valiosas sobre este que é um dos blocos de construção mais estáveis ​​do Universo.

Utilizando esta técnica inovadora, os físicos descobriram que a pressão que mantêm os quarks unidos dentro do protão é de 100 decilhões de Pascal. Este número absurdamente grande é um 1 seguido por 35 zeros.

Para se ter uma ideia de quão alta e intensa é esta pressão, os físicos dizem que é 10 vezes maior do que a que existe numa estrela de neutrões, onde a matéria é apertada o suficiente para espremer uma montanha num monte que caberia numa colher de chá.

“Encontramos uma pressão extremamente alta dirigida para o exterior a partir do centro do protão, e uma pressão muito menor e mais estendida para dentro, perto da periferia do protão”, explica Volker Burkert, co-autor do estudo.

Burkert diz que a distribuição de pressão dentro do protão é ditada pela força forte, a força que une os três quarks que formam um protão.

“Os nossos resultados também lançam luz sobre a distribuição da força forte dentro do protão”, disse. “Estamos a fornecer uma maneira de visualizar a magnitude e a distribuição da força forte dentro do protão. Isso abre uma direção totalmente nova na física nuclear e de partículas que pode ser explorada no futuro”, anima-se.

A física Latifa Elouadrhiri, do Thomas Jefferson National Accelerator Facility, nos EUA, compara a nossa compreensão anterior da estrutura do protão com a do coração humano. Antes, ouvindo apenas a batida, só podíamos saber uma determinada quantidade de informações sobre o seu funcionamento.

“Temos a tecnologia médica de imagens em 3D que agora permite que os médicos aprendam mais de maneira não invasiva sobre a estrutura do coração”, disse Elouadrhiri à revista Nature. “E é isso que queremos fazer com a nova geração de experiências”.

Os físicos já sabem há algum tempo que os protãos são feitos de três quarks, dois positivos e um negativo, unidos por algo chamado força nuclear forte. Mas fora isso, a estrutura interna do protão tem sido um mistério. Os seus quarks claramente mantêm-se juntos, mas também tem que haver algum tipo de repulsão que os impeça de entrar em colapso em algum ponto.

Para medir o quão bem essas peças se juntam, os investigadores combinaram duas estruturas teóricas diferentes – uma delas considerada praticamente impossível de implementar diretamente. A energia e o momentum das partes internas de um protão estão codificadas nos chamados fatores de forma gravitacional.

A gravidade é uma força que geralmente não é levada em consideração na física de partículas, principalmente quando há forças muito mais fortes em ação. Mas dentro de um protão, um campo gravitacional pode ser afetado pela energia e pelo momentum de uma partícula.

Porém, isso apenas em teoria – pelo menos até agora. Um artigo de 1966 do físico norte-americano Heinz Pagels descreveu o processo e ao mesmo tempo descartou a sua aplicação prática graças à extrema fraqueza da gravidade.

O que Pagels não previu foi o desenvolvimento de uma estrutura teórica que ligasse comportamentos da força eletromagnética a fatores de forma gravitacionais. Por outras palavras, mais tarde foi descoberto que os eletrões poderiam substituir uma sonda gravitacional.

“Essa é a beleza disso. Tem este mapa que acha que nunca conseguirá usar. Mas aqui estamos, a preenche-lo com esta sonda eletromagnética”, comemora a cientista.

A chave era usar o espalhamento de Compton, que descreve a interação entre fotões de luz e uma partícula carregada, como um eletrão. Nesse caso, os cientistas aumentaram a aceleração de um eletrão para estreitar o seu comprimento de onda, o suficiente para penetrar um protão.

Os cientistas então observaram a dispersão de fotões que foram produzidos, combinando os seus detalhes com informações sobre o protão e o eletrão acelerado para determinar como os quarks reagiram à colisão.

Essa dispersão forneceu um mapa de energia e momentum para descrever a pressão externa extrema no centro do protão.

O próximo passo para a equipa é continuar a usar esse processo para construir uma compreensão maior da mecânica interna do protão, calculando as suas forças e, eventualmente, construindo uma imagem de como os seus quarks se movem.

Saber mais sobre o que acontece dentro de um protão poderia nos dizer se estas partículas tão estáveis em algum momento decaem. Por enquanto,parecem estáveis ​​o suficiente para durar mais que o Universo. Determinar como e quando se quebram forneceria pistas valiosas sobre algumas das características fundamentais do cosmos.

Os resultados foram publicados na quarta-feira na revista Nature.

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