Há um mistério gigantesco escondido dentro de cada átomo do universo

Por , em 12.01.2020

Não sabemos ao certo o que realmente acontece dentro de um átomo. Mas dois grupos de cientistas com visões diferentes acreditam saber a resposta para esta questão. Agora eles estão correndo contra o tempo para tentar provar que estão certos antes do outro grupo.

O que sabemos com certeza sobre o átomo é que os elétrons se movimentam em “órbitas” ao redor do núcleo, um adensamento de prótons e nêutrons que conferem ao átomo a maioria de sua massa. Esses prótons e nêutrons ficam bem juntinhos, unidos por algo chamado “força forte”. É o número desses prótons e nêutrons que determinam se o átomo é de ferro, oxigênio ou xênon, se é radioativo ou se é estável.

Apesar de já sabermos tudo isso, ninguém sabe como esses prótons e nêutrons (que juntos são chamados de núcleons) se comportam dentro do átomo. Fora de um átomo, prótons e nêutrons têm tamanhos e formatos definidos. Cada um é feito de três partículas menores chamadas quarks, e a interação entre esses quarks é tão intensa que nenhuma força externa consegue deformá-los.

O problema é que os pesquisadores já estão cientes há décadas que esta teoria está um pouquinho inadequada. Experimentos mostram que, dentro do núcleo, prótons e nêutrons parecem muito maiores do que eles deveriam ser. Físicos desenvolveram duas teorias diferentes que tentam explicar este desencontro, e cada grupo tem certeza que o outro está errado.

O que as duas equipes concordam, porém, é que seja lá qual for a resposta correta, ela está contida em um campo além do deles. Isso porque desde a década de 1940, físicos sabem que os núcleons se movem em pequenos orbitais dentro do núcleo. Os núcleos confinados em seus movimentos têm pouca energia, eles não conseguem se mover muito, pois estão presos pela força forte.

Em 1983, físicos da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN), notaram uma coisa estranha: feixes de elétrons ricocheteavam no ferro de uma maneira muito diferente da forma como quicavam de prótons livres. Isso era inesperado, pois os prótons dentro do hidrogênio eram do mesmo tamanho que os prótons dentro do ferro. Teoricamente eles deveriam ricochetear da mesma maneira.

Conforme o tempo foi passando, cientistas começaram a acreditar que era uma questão de tamanho. Por algum motivo, os prótons e nêutrons dentro de núcleos pesados agem como se fossem maiores quando eles estão fora do núcleo. Os pesquisadores chamaram este fenômeno de efeito EMC, em homenagem à Colaboração Europeia Muon – o grupo que acidentalmente descobriu este efeito. O problema é que ele vai contra as teorias nucleares físicas.

Analogia da brisa

Hen, um físico nuclear do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA), acredita que sua equipe possa ter a solução para esta incongruência. Ele sugere que apesar de quarks terem uma interação importante dentro de um próton ou nêutron, quarks em diferentes prótons e nêutrons não conseguem interagir muito entre si. A força forte de dentro de um núcleon é tão forte que interfere na força forte que une núcleons a outros núcleons.

“Imagine que você está sentado no seu quarto falando com dois de seus amigos com as janelas fechadas”, diz Hen. As três pessoas no quarto representam os quarks dentro de um nêutron ou próton. “Uma brisa fraca está soprando lá fora”.

Essa brisa é a força unindo o próton ou nêutron aos núcleons que estão do lado de fora da janela. Mesmo se um pouco de vento entrasse pela janela fechada, isso não causaria nenhum efeito em você. Isso se os núcleons permanecerem em seus orbitais.

Experimentos recentes, porém, mostraram que 20% dos núcleons estão fora de seus orbitais. Ao invés disso, eles são pareados com outros núcleons, interagindo em correlações de curta distância. Nessas circunstâncias, as interações entre os núcleons são muito mais energéticas que o normal, explica o pesquisador.

Isso acontece porque os quarks interagem diretamente com outros quarks, e essas interações são muito mais poderosas do que as interações que acontecem quando os quarks estão contidos dentro de seus núcleons.

Essas interações derrubam as paredes que separam os quarks dentro de prótons ou nêutrons individuais. Os quarks do próton e os quarks dos nêutrons começam a ocupar o mesmo espaço. Isso faz com que os prótons ou nêutrons se estiquem e fiquem borrados. Eles crescem bastante em períodos curtos de tempo. Isso aumenta o tamanho do núcleo todo, produzindo o efeito EMC.

A maioria dos físicos aceita esta interpretação do efeito EMC , mas nem todos acreditam que a equipe de Hen solucionou completamente o problema. Ian Cloët, um físico nuclear da Laboratório Nacional Argonne em Illinois (EUA), aponta que o trabalho de Hen tem conclusões que não são 100% apoiados por dados.

“Acho que o efeito EMC ainda não está resolvido. Se você usar este modelo e tentar analisar o efeito EMC, você não descreve o efeito EMC. Não há nenhuma explicação de sucesso para o efeito EMC usando este raciocínio. Então, na minha opinião, ainda existe um mistério”, diz Cloët.

Ele acredita que a resposta pode estar no QCD, ou cromodinâmica quântica, o sistema que controla o comportamento dos quarks. Utilizar o QCD para estudar este fenômeno seria como trocar uma TV de tubo por uma TV de alta resolução – apesar de oferecer mais detalhes, é um sistema mais complexo.

Tão complexo que as equações QCD são muito difíceis de se resolver. Supercomputadores modernos ainda estão a 100 anos de conseguir este feito, de acordo com estimativas de Cloët.

Mesmo assim, ele acredita que seja possível trabalhar com QCD para responder à algumas questões do fenômeno EMC. “A imagem que eu tenho é que sabemos que dentro do núcleo temos essas forças nucleares muito fortes, parecidas com campos eletromagnéticos, com a exceção que elas são campos de força fortes”, diz Cloët.

Hen e Cloët afirmaram ao Live Science que os resultados de experimentos nos próximos anos pode resolver esta questão. Eles fizeram questão de enfatizar que o debate é amigável e positivo. [Live Science]

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