Experimento questiona nossa compreensão das forças nucleares

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/08/2023

Os novos dados aparecem em azul (fator de forma de transição monopolo em função da transferência de momento Q2), em comparação com a previsão teórica, em vermelho (teoria do campo efetivo quiral).
[Imagem: A1-Kollaboration]

Forças do núcleo atômico

Ao medir núcleos do elemento hélio - também conhecidos como partículas alfa (α) - com um nível de precisão inédita, físicos encontraram um buraco nas teorias atuais sobre os núcleos atômicos.

Simon Kegel e seus colegas da Universidade de Mainz, na Alemanha, mediram sistematicamente a excitação de uma partícula α - o núcleo de um átomo de ⁴He - do seu estado fundamental até o seu primeiro estado excitado, com uma precisão sem precedentes.

Quando compararam os resultados experimentais com os cálculos mais recentes usando a teoria de baixa energia correspondente, ficou evidente que a excitação das partículas α não é descrita corretamente com base no entendimento atual das forças nucleares - e isso levanta uma série de questões desafiadoras.

As propriedades de um núcleo atômico, como seu tamanho e sua energia de ligação, são determinadas principalmente pelas chamadas interações nucleares, as forças entre os prótons e os nêutrons dentro do núcleo. Essas interações podem ser descritas em termos fenomenológicos, mas também podem ser calculadas sistematicamente usando conceitos cada vez mais aprimorados pelas últimas teorias, usando, por exemplo, a teoria de campo efetivo quiral, que fornece uma estrutura promissora com base na qual essas forças podem ser estudadas.

Como quanto maior o núcleo, mais complexos os cálculos se tornam, o melhor caminho consiste em analisar núcleos menores e, de posse dos dados experimentais, testar as teorias. O núcleo de um átomo de ⁴He consiste em apenas dois prótons e dois nêutrons, um número de constituintes que o tornam ideal para investigações sistemáticas desse tipo - não por acaso, ele é um dos núcleos atômicos mais extensivamente estudados. E foi isto o que a equipe fez agora.

A diferença é grande o suficiente para exigir uma reconstrução teórica radical.
[Imagem: S. Kegel et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.152502]

Discrepância radical

Usando um acelerador de partículas, os físicos mediram a partícula α do seu estado fundamental até o seu primeiro estado energizado, uma cobertura nunca alcançada por outros experimentos, além de fazer isto com um nível de incerteza muito menor do que os experimentos anteriores - a medição envolve o chamado fator de forma de transição monopolo.

Embora os fatores de forma extraídos do experimento e da teoria apresentem uma forma semelhante em função da transferência de momento, eles diferem substancialmente por um fator de aproximadamente 2. Os resultados de medições anteriores já haviam indicado que poderia haver uma inconsistência com a teoria, mas as incertezas experimentais eram grandes demais para permitir tirar conclusões.

"Nosso experimento foi realizado com um controle muito bom das incertezas sistemáticas. A discordância com os melhores cálculos teóricos é, portanto, uma indicação séria de que, ou um aspecto importante das interações nucleares está sendo deixado de lado, o que é particularmente evidente nessa transição monopolo, ou que as propriedades do primeiro estado excitado da partícula α dependem fortemente de detalhes mínimos das forças nucleares. Ambas as possibilidades são de considerável interesse e nos inspiram a estudos posteriores," disse a professora Concettina Sfienti.

Esses estudos de seguimento, contudo, terão que esperar o novo acelerador de partículas que a equipe está construindo.

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