Cientistas confirmam sistema nuclear sem força eletromagnética

Por: Minuto Parana

Durante décadas, todos os sistemas atômicos e nucleares conhecidos pela ciência dependeram da atuação conjunta de pelo menos duas forças fundamentais da natureza. A força nuclear forte mantém prótons e nêutrons unidos dentro do núcleo atômico, enquanto a força eletromagnética mantém os elétrons orbitando ao redor desse núcleo.

Agora, uma equipe internacional de físicos anunciou a primeira evidência experimental de um sistema nuclear mantido exclusivamente pela força forte, sem participação da força eletromagnética. O resultado confirma uma previsão teórica formulada há cerca de vinte anos e pode ajudar os cientistas a compreender melhor como a matéria adquire massa.

Para criar um sistema sustentado por apenas uma força fundamental, os pesquisadores precisaram utilizar uma partícula sem carga elétrica. Em átomos comuns isso não é possível, porque prótons e elétrons possuem carga elétrica, fazendo com que a força eletromagnética esteja inevitavelmente presente.

O Modelo Padrão da física de partículas — teoria que descreve a força forte, a força fraca e o eletromagnetismo — prevê que algumas partículas eletricamente neutras, chamadas mésons, poderiam se ligar a núcleos atômicos apenas por meio da interação forte.

A partícula escolhida para o experimento foi o méson eta-prime, representado pelo símbolo η′. Ele é eletricamente neutro e, portanto, não pode ser mantido por forças eletromagnéticas. Além disso, possui massa incomumente elevada para sua categoria, característica que o transforma em uma ferramenta importante para investigar os mecanismos internos da força nuclear forte.

O fato de o méson eta-prime possuir massa tão elevada intriga físicos há décadas. O problema ficou conhecido na física teórica como “problema U(1)”, termo popularizado nos anos 1970 pelo físico Steven Weinberg.

Modelos simples baseados em quarks — partículas elementares que formam prótons e nêutrons — não conseguiam explicar adequadamente por que o eta-prime era tão pesado.

Atualmente, a teoria da Cromodinâmica Quântica, conhecida pela sigla QCD, atribui essa massa elevada a um fenômeno chamado quebra de simetria quiral, combinado com a dinâmica dos glúons, partículas responsáveis por transmitir a força forte entre os quarks.

De maneira simplificada, “quiralidade” pode ser entendida como uma espécie de “orientação” das partículas, semelhante à diferença entre mãos direita e esquerda. Em determinadas condições dentro da matéria nuclear, a simetria entre essas versões das partículas deixa de existir, gerando parte significativa da massa observada.

As mesmas teorias que explicam a grande massa do eta-prime também sugerem que ela pode diminuir quando a partícula é inserida dentro de um núcleo atômico. Detectar essa redução seria uma evidência importante de que a quebra de simetria quiral realmente desempenha papel central na geração de massa não apenas do eta-prime, mas também de hádrons em geral — grupo de partículas que inclui prótons e nêutrons, componentes básicos da matéria visível do Universo.

Para investigar essa hipótese, pesquisadores liderados pelos físicos Ryohei Sekiya, Kenta Itahashi e Yoshiki Tanaka, do instituto japonês RIKEN, realizaram um experimento utilizando um feixe de prótons lançado contra núcleos de carbono-12 em velocidades equivalentes a uma fração significativa da velocidade da luz, que é de aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo.

O impacto arrancava um nêutron do núcleo. Quando esse nêutron se combinava com um próton, formava um deutério — núcleo estável composto por um próton e um nêutron — enquanto uma grande quantidade de energia permanecia no núcleo transformado em carbono-11.

Esse excesso de energia poderia gerar um méson eta-prime que, em situações raras, acabava ficando ligado ao núcleo de carbono-11, formando um estado quântico extremamente instável mantido exclusivamente pela força nuclear forte. O fenômeno representa o primeiro exemplo experimental conhecido de um sistema nuclear sem participação da força eletromagnética.

O desafio do experimento foi enorme porque o méson eta-prime existe por um intervalo de tempo extremamente curto, cerca de um milionésimo de bilionésimo de bilionésimo de segundo, antes de se desintegrar.

Para detectar eventos tão rápidos, os cientistas utilizaram um detector especial chamado WASA, desenvolvido para identificar prótons de alta energia produzidos quando o méson era absorvido pelo núcleo atômico.

Mesmo com equipamentos avançados, os sinais procurados eram raríssimos. Segundo os pesquisadores, eventos de fundo — fenômenos aleatórios que podem mascarar o resultado verdadeiro — superavam os sinais reais em uma proporção que variava entre 100 e 1.000 para 1, tornando a análise extremamente complexa.

Apesar das dificuldades, os físicos identificaram estruturas nos dados compatíveis com as previsões teóricas sobre núcleos ligados ao méson eta-prime, chamados de núcleos eta-prime mésicos. Os resultados indicam que a massa do méson diminui aproximadamente 60 megaelétron-volts dentro da matéria nuclear.

O elétron-volt é uma unidade usada na física de partículas para medir energia e massa em escalas subatômicas. Para comparação, prótons possuem massa próxima de 938 megaelétron-volts.

Segundo os pesquisadores, essa redução de massa fornece apoio qualitativo importante à hipótese de que a quebra de simetria quiral e a dinâmica dos glúons são mecanismos fundamentais para a geração de massa em partículas compostas por quarks.

Os cientistas afirmam ainda que estudar a distribuição de massa em ambientes onde a simetria quiral é parcialmente restaurada pode revelar informações importantes sobre a estrutura do vácuo quântico e sobre processos físicos ocorridos durante a evolução inicial do Universo, logo após o Big Bang.

A equipe também destacou que os resultados representam a primeira detecção direta de núcleos ligados ao méson eta-prime e podem abrir caminho para novos estudos sobre o comportamento de partículas subatômicas em meios nucleares densos, ampliando o entendimento sobre as forças fundamentais que moldam a matéria visível do Universo.

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