Mistérios do núcleo atômico serão desvendados por este acelerador de partículas

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No século XX, os físicos fizeram avanços impressionantes na física das partículas, que descreve como a matéria visível do universo é formada. As descobertas resultaram no Modelo Padrão, a melhor e mais precisa explicação que temos para tudo o que se pode observar, mas ele ainda não é completo. Para desvendar os maiores mistérios sobre a força forte, os cientistas terão um novo instrumento — o Electron-Ion Collider.

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Prevista em meados da década de 1970, a força forte explica um estranho problema da época: os núcleos atômicos são formados por prótons, com carga elétrica positiva, e nêutrons, eletricamente neutro. Se todos os prótons têm sempre o mesmo tipo de carga, eles deveriam se repelir, e não se unir para formar o núcleo de um átomo.

A hipótese da força forte postulou que uma força fundamental atuava nos núcleos, e experimentos mostraram que isso realmente acontecia. Isso levou à conclusão de que nêutrons não eram as partículas fundamentais (ou seja, indivisíveis), mas sim formadas por outro tipo de partículas, chamadas quarks.


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O Modelo Padrão de partículas é o mais bem sucedido em explicar a matéria do universo (Imagem: Reprodução/Beatriz Abdalla/Jornal da USP)

Posteriormente, a teoria da cromodinâmica quântica descreveu o que estava acontecendo dentro dos núcleos atômicos. A atração, ou melhor, a “cola” entre os nêutrons era resultado da atração entre três diferentes “cores” de quarks (embora eles não possuam coloração real). Em outras palavras, os quarks não possuem carga positiva ou negativa, mas cargas de cores azul, vermelho e verde.

Mas isso não era tudo. Os quarks com cores diferentes se atraem por causa de uma interação mediada por outras partículas, chamadas glúons. Assim, os cientistas descobriram que, como os fótons são as partículas fundamentais que mediam a interação eletromagnética, os glúons são mediadores da força forte. Mas há uma diferença significativa: além de manter os quarks unidos, os próprios glúons levam a carga de cor (verde, azul ou vermelha) dessa interação. Ou seja, além de mediar, essas partículas também participam da força forte.

Esse pode parecer o fim da linha para as investigações sobre o núcleo atômico, mas, longe disso, talvez seja apenas o início. Existem grandes mistérios para resolver, como a crise do spin do próton e o quebra-cabeça do raio do próton. Para ajudar nessa tarefa, o novo acelerador e colisor de partículas tentará “fotografar” a estrutura interna dos prótons, para estudar a força forte em todas as dimensões possíveis.

Representação da força forte, que através dos glúons “gruda” quarks para formar prótons e nêutrons (Imagem: Reprodução/Lawrence Livermore National Laboratory)

Claro que é impossível fotografar, de fato, as partículas subatômicas, já que elas são muito menores que o comprimento de onda de qualquer tipo de luz existente. Mas o The Electron-Ion Collider (EIC) pode colidir elétrons com prótons para produzir uma leitura da interação e, assim, mapear o que acontece. Isso pode fornecer uma espécie de instantâneo tridimensional da estrutura interna, revelando como os quarks e glúons trabalham.

Especificamente, o feixe de elétrons revelará o arranjo dessas partículas para determinar o verdadeiro papel dos glúons na matéria do universo, que pode ser muito além de funcionar como “cola” de quarks. Por exemplo, os prótons e nêutrons constituem a maior parte de tudo o que vemos, mas seus quarks são mil vezes mais leves que os prótons e nêutrons formados por eles. Será que os glúons podem ser responsáveis pelo restante? Talvez. Mas eles não possuem nenhuma massa em si mesmos.  

O estudo desse mistério sobre a massa dos núcleos atômicos é apenas um entre as pesquisas que serão realizadas no EIC para compreendermos como a matéria “consegue” existir e se manter unida no universo, formando moléculas, objetos, e até mesmo pessoas como eu e você. Em última análise, as novas instalações podrão trazer respostas sobre o próprio início do universo, nos primeiros instantes após o Big Bang, quando tudo o que existia era uma sopa formada apenas por quarks e glúons livres.

Quarks são “condenados” ao confinamento e nunca poderão ser livres; quanto mais se tenta separá-los, mais a força forte atuará para impedir, até mesmo criar novos quarks (Imagem: Reprodução/Reprodução/Ziming Liu)

Coordenado pelo Laboratório Nacional de Brookhaven, dos EUA, e desenvolvido por uma colaboração internacional de 1.300 cientistas de todo o mundo, o colisor de elétron-íon consistirá em dois aceleradores que se cruzam, um produzindo um feixe intenso de elétrons, o outro um feixe de prótons de alta energia. Ele usará fontes de íons existentes, uma cadeia de pré-acelerador, um anel de armazenamento de íons magnéticos supercondutores e outras infraestruturas do Colisor Relativístico de Íons Pesados, que fica no Brookhaven National Laboratory, NY.

Ainda teremos que esperar cerca de dez anos para ver o colisor ser finalmente concluído, e mais ou pouco para conferir os primeiros resultados. Mas tudo deve ser recompensado com os avanços científicos que ele pode trazer, não apenas em teoria física, mas também no desenvolvimento de novas tecnologias, como chips de computador, novos medicamentos e tratamentos do câncer, entre muitos outros benefícios. 

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