O núcleo atômico é um lugar incomum. Sabe-se que contém prótons e nêutrons. Essas partículas, ou
Mistérios da forte interação, quedetermina o movimento dessas partículas, força os cientistas a procurar novas formas de olhar para dentro do átomo para entender o que está acontecendo lá. Os físicos criaram um novo método que usa átomos-espelho e descobriram que os prótons colidem com seus prótons e os nêutrons com seus colegas nêutrons, com mais frequência do que o esperado.
O que é uma interação forte?
A força nuclear forte é uma dasinterações fundamentais juntamente com a gravidade, o eletromagnetismo e a interação fraca. É melhor estudado no nível quântico. A interação entre quarks (partículas elementares que compõem a matéria) e glúons (portadores sem massa da interação forte) é descrita pela cromodinâmica quântica.
Os cientistas acreditam que todo quark éportador de uma carga quântica específica. É chamado de cor, embora seja um termo convencional que nada tem a ver com propriedades ópticas. Além disso, possui um vetor de estado definido em um espaço de cores 3D complexo.
A interação forte é um processo no qualquarks trocam carga (cor) transportada pelo glúon. Ao contrário do fóton na interação eletromagnética, que é único e não possui carga própria, cada glúon carrega uma cor específica. Os pesquisadores identificam oito tipos de tais partículas com cargas diferentes.
Esquema de interação forte. Imagem: Manishearth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Como o nome sugere, a força forte éo mais poderoso, mas atua apenas em distâncias curtas, comparáveis ao tamanho de um núcleo atômico e menores. Uma característica surpreendente desta interação é que à medida que a distância entre os quarks aumenta, ela aumenta, e à medida que diminui, ela enfraquece.
Esse efeito causa confinamento - o bloqueio de quarks dentro de hádrons (partículas compostas). Portanto, um quark não pode existir no espaço livre, mas apenas como parte de partículas mais complexas.
A ruptura da interação entre dois quarks sob a ação da energia leva ao nascimento de um novo par de quarks e antiquarks. Animação: Manisharth, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Embora a força forte seja a teoria mais bem desenvolvida em física de partículas, as interações de partículas compostas como hádrons e nucleons (prótons e nêutrons) são muito difíceis de calcular.
Como é medida a interação de nucleons?
Modelo condicional de um átomo (esquerda) e hélio-4 (direita). A cor cinza é a nuvem de elétrons, a imagem ampliada mostra o núcleo. Imagem à direita: Usuário: Yzmo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Os núcleos atômicos são frequentemente descritos como densosaglomerados de prótons e nêutrons grudados, mas na verdade esses nucleons estão constantemente girando em torno um do outro. Ao mesmo tempo, colidem e se dispersam novamente, mas na “faixa elástica” de forte interação retornam. Na maioria dos núcleos, os cientistas estimam que os núcleons passam cerca de 20% de suas vidas em estados excitados de alto momento causados por essas colisões.
A interpretação correta do conjunto deexperimentos, como os conduzidos no Grande Colisor de Hádrons e outros aceleradores de partículas, dependem de quão bem os cientistas entendem essas colisões.
Para estudá-los, os físicos trabalham emnúcleos atômicos com feixes de elétrons de alta energia. Se você medir com que energia e em que direção um elétron começou a se mover quando colidiu com um próton carregado positivamente de um núcleo atômico, poderá determinar a rapidez com que ele se moveu.
Além disso, um elétron altamente carregado temimpulso suficiente para quebrar a forte interação e expulsar o próton “excitado” do núcleo atômico. No processo de ruptura da conexão, em vários casos, seu “parceiro” é jogado fora atrás dele - a partícula com a qual ele se encontrou pela última vez e está conectada por uma forte interação.
Em experimentos clássicos, os físicos usamcontando tais pares "ejetados" de dois prótons, ou um próton e um nêutron, para determinar como os nucleons interagem nos átomos do núcleo. Experimentos em que núcleos de vários átomos de carbono com 12 nucleons a chumbo com 208 foram irradiados com elétrons mostraram aproximadamente a mesma distribuição: quase 95% de todas as colisões são em pares próton-nêutron e 5% estão na interação entre nucleons idênticos.
A desvantagem deste método é que taiscolisões exatas em que ambas as partículas são emitidas do núcleo são bastante raras, e outros fatores podem afetar partículas em átomos. Portanto, as medições contêm poucos dados e os resultados têm um erro alto.
O que o experimento com núcleos espelhados mostrou?
Para contornar esta limitação, os cientistas criaramnovo método. Eles decidiram irradiar núcleos atômicos “espelhados”. Um átomo de hélio-3 (um isótopo estável de hélio) tem o mesmo número de núcleons que o trítio (um isótopo de hidrogênio). Mas se no primeiro caso o núcleo consiste em dois prótons e um nêutron, então no segundo caso tudo é exatamente o oposto.
Os cientistas perceberam que se cada um destesátomos, então a diferença nos conjuntos de núcleos ajudará a determinar com mais precisão como os prótons e nêutrons dos núcleos atômicos interagem entre si. No novo experimento foi possível coletar muito mais dados do que nos anteriores, porque a análise não exigiu eventos raros de tripla coincidência, quando ambas as partículas excitadas voavam para fora do núcleo; apenas uma era suficiente.
Os pesquisadores relatam que o novo método aumentouprecisão de medição 10 vezes. No entanto, eles não esperavam que as interações de nucleons em átomos simples fossem muito diferentes das complexas que foram testadas em experimentos anteriores.
Em artigo recentemente publicado na revistaNatureza, os físicos relatam que a proporção de interações entre partículas idênticas (colisões próton-próton e nêutron-nêutron) acabou sendo muito maior: é de cerca de 20%.
Queríamos fazer medições significativamente mais precisas, mas não esperávamos que fossem muito diferentes.
John Arrington, pesquisador do Berkeley Lab e coautor de um novo artigo
O que vem a seguir?
Os pesquisadores acreditam que a diferençaa interação das partículas pode ser explicada precisamente pelo tamanho dos núcleos. Os principais processos de espalhamento - mudanças na direção do movimento das partículas ao colidir com outras - ocorrem com pares de prótons e nêutrons, disse Arrington. Mas durante a irradiação, existem outras causas que podem causar espalhamento e afetar todos os tipos de núcleons.
Por exemplo, eles podem depender da distância entrepartículas que são maiores nos núcleos leves do que nos pesados. Para confirmar esta hipótese ou encontrar uma explicação alternativa, os cientistas planejam realizar experimentos semelhantes com outros átomos leves.
Entendendo os princípios responsáveis pela interaçãopartículas compostas é de interesse não apenas teórico, mas também prático. Esses detalhes são importantes para a análise de dados em experimentos de alta energia em quarks, glúons e outras partículas elementares, como neutrinos. Além disso, são esses processos que explicam a interação dos núcleons que formam as estrelas de nêutrons.
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