Força da força forte explica 99% da massa do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/08/2022

Resumo das conclusões da equipe, que mereceu a capa da revista onde a pesquisa foi publicada.
[Imagem: Particles/Divulgação]

Força forte versus bóson de Higgs

Muito barulho foi feito sobre o bóson de Higgs quando essa partícula foi descoberta em 2012, barulho que ecoou recentemente com o aniversário da descoberta do Higgs.

Embora sempre se fale dessa "partícula" como dando massa à matéria comum, as interações com o campo de Higgs geram apenas cerca de 1% da massa comum.

Os outros 99% vêm de fenômenos associados à força forte, a força fundamental que une partículas menores, chamadas quarks, em partículas maiores, chamadas prótons e nêutrons, que compõem o núcleo dos átomos da matéria comum.

Agora, com muito menos alarde, Alexandre Deur e colegas do Laboratório Thomas Jefferson, nos EUA, mediram experimentalmente a força da força forte, uma quantidade que serve de base para as teorias que explicam como 99% da massa, ou matéria comum, do Universo é gerada.

Essa quantidade, conhecida como acoplamento da força forte, descreve a intensidade com que dois corpos interagem, ou "se acoplam", sob essa força.

Antes desta demonstração experimental, as teorias discordavam sobre como o acoplamento da força forte deveria se comportar a grandes distâncias: Algumas previam que ela deveria crescer com a distância, algumas que ela deveria diminuir e outras que ela deveria se tornar constante.

Recentemente se demonstrou que a força forte cria partículas subatômicas leves.
[Imagem: Kavli IPMU]

Acoplamento da força forte

A conclusão geral é que o acoplamento da força forte varia com a distância entre as partículas afetadas por ela.

Em distâncias menores, entre quarks, o acoplamento da força forte é pequeno, e os físicos podem medi-lo com um método iterativo padrão. Em distâncias maiores, no entanto, o forte acoplamento da força torna-se tão grande que o método iterativo não funciona mais.

Deur e seus colegas conseguiram medir a força forte nas maiores distâncias até hoje um tanto por acaso, tirando proveito de um experimento feito para outra coisa completamente diferente - eles estavam estudando o momento angular magnético (spin) dos prótons e dos nêutrons.

Esses experimentos fornecem feixes de elétrons polarizados, que são direcionados para alvos especializados, contendo prótons e nêutrons polarizados, nas salas experimentais - quando um feixe de elétrons é polarizado, isso significa que a maioria dos elétrons está girando na mesma direção.

Depois de vários anos analisando dados desses experimentos, os pesquisadores se deram conta de que poderiam combinar informações coletadas sobre o próton e o nêutron para extrair a intensidade da força forte em distâncias muito grandes.

E eles agora descobriram que, à medida que a distância aumenta entre os corpos afetados, o acoplamento da força forte cresce rapidamente, então se estabiliza e se torna constante.

"Existem algumas teorias que previam que este deveria ser o caso, mas esta é a primeira vez que realmente vimos isso experimentalmente," disse Jian-Ping Chen, membro da equipe. "Isso nos dá detalhes sobre como a força forte, na escala dos quarks, que formam prótons e nêutrons, realmente funciona."

Parece haver ainda muita coisa no núcleo dos átomos que não entendemos bem.
[Imagem: Jefferson Lab]

Massa adquirida por deslocamento

Quando os quarks foram medidos com feixes de alta energia, sua massa ficou na casa de alguns poucos MeV, o que está de acordo com os livros-texto de física. Contudo, quando eles foram medidos com energia mais baixa, sua massa efetivamente cresceu para 300 MeV.

Isso ocorre porque os quarks coletam uma nuvem de glúons, as partículas que carregam a força forte, à medida que se movem por distâncias maiores.

E o efeito de geração de massa dessa nuvem é responsável pela maior parte da massa do Universo. Sem essa massa adicional, a massa dos quarks que está nos livros-texto consegue explicar apenas cerca de 1% da massa dos prótons e nêutrons - os outros 99% vêm dessa massa adquirida.

Da mesma forma, uma teoria postula que os glúons não têm massa em distâncias curtas, mas efetivamente adquirem massa à medida que viajam mais. O nivelamento do acoplamento de força forte em grandes distâncias, visto no experimento, suporta esta teoria.

"Nossas medições mostram que o acoplamento da força forte se torna constante à medida que a distância sondada aumenta, o que é um sinal de que os glúons adquiriram massa através do mesmo mecanismo que dá 99% da massa ao próton e ao nêutron," disse Deur.

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