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Crédito: CC0 Public Domain
A maioria das matérias comuns é mantida unida por uma cola subatômica invisível conhecida como força nuclear forte - uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com a gravidade, o eletromagnetismo e a força fraca. A forte força nuclear é responsável pelo empurrão e empuxo entre prótons e nêutrons no núcleo de um átomo, o que evita que um átomo entre em colapso.
Nos núcleos atômicos, a maioria dos prótons e nêutrons estão suficientemente afastados para que os físicos possam prever com precisão suas interações. No entanto, essas previsões são contestadas quando as partículas subatômicas estão tão próximas que ficam praticamente uma em cima da outra.
Embora essas interações ultracurtas-distâncias sejam raras na maioria das matérias da Terra, elas definem os núcleos das estrelas de nêutrons e outros objetos astrofísicos extremamente densos. Desde que os cientistas começaram a explorar a física nuclear, eles lutaram para explicar como a forte força nuclear se desenrola a distâncias tão curtas.
Agora, os físicos do MIT e de outros lugares caracterizaram pela primeira vez a forte força nuclear e as interações entre prótons e nêutrons, a distâncias extremamente curtas.
Eles realizaram uma extensa análise de dados em experimentos anteriores com aceleradores de partículas e descobriram que, à medida que a distância entre prótons e nêutrons se torna menor, ocorre uma transição surpreendente em suas interações. Onde a grandes distâncias, a força nuclear forte atua principalmente para atrair um próton para um nêutron, a distâncias muito curtas, a força se torna essencialmente indiscriminada: interações podem ocorrer não apenas para atrair um próton para um nêutron, mas também para repelir ou empurrar além de pares de nêutrons.
"Este é o primeiro olhar muito detalhado do que acontece com a força nuclear forte a distâncias muito curtas", diz Or Hen, professor assistente de físico do MIT. "Isso tem implicações enormes, principalmente para estrelas de nêutrons e também para a compreensão dos sistemas nucleares como um todo".
Hen e seus colegas publicaram seus resultados na revista Nature . Seus co-autores incluem o primeiro autor Axel Schmidt Ph.D. '16, um ex-aluno de pós-graduação e pós-doutorado, juntamente com Jackson Pybus, Adin Hrnjic e colegas adicionais do MIT, Universidade Hebraica, Universidade de Tel-Aviv, Old Dominion University e membros da CLAS Collaboration, uma organização multi- grupo institucional de cientistas envolvidos com o CLAS (CEBAF Large Accelerator Spectrometer), um acelerador de partículas do Jefferson Laboratory em Newport News, Virginia.
Instantâneo de lançamento em estrela
Interações de curta distância entre prótons e nêutrons são raras na maioria dos núcleos atômicos. Detectá-los requer átomos que atiram com um grande número de elétrons de energia extremamente alta, uma fração dos quais pode ter a chance de chutar um par de nucleons (prótons ou nêutrons) se movendo em alto momento - uma indicação de que as partículas devem estar interagindo distâncias extremamente curtas.
"Para fazer esses experimentos, você precisa de aceleradores de partículas insanamente altos", diz Hen. "É apenas recentemente que temos a capacidade de detectar e entender os processos suficientemente bem para fazer esse tipo de trabalho".
Hen e seus colegas procuraram as interações através da mineração de dados coletados anteriormente pelo CLAS, um detector de partículas do tamanho de uma casa no Laboratório Jefferson; o acelerador JLab produz feixes de elétrons de alta intensidade e alta energia sem precedentes. O detector CLAS estava operacional de 1988 a 2012, e os resultados dessas experiências já estavam disponíveis para os pesquisadores procurarem outros fenômenos enterrados nos dados.
Em seu novo estudo, os pesquisadores analisaram uma grande quantidade de dados, totalizando alguns quadrilhões de elétrons atingindo núcleos atômicos no detector CLAS. O feixe de elétrons visava folhas feitas de carbono, chumbo, alumínio e ferro, cada um com átomos de proporções variáveis de prótons e nêutrons. Quando um elétron colide com um próton ou nêutron em um átomo, a energia na qual ele se dispersa é proporcional à energia e momento do núcleo correspondente.
"Se eu souber o quão forte eu chutei alguma coisa e quão rápido ela saiu, posso reconstruir o momento inicial da coisa que foi chutada", explica Hen.
Com essa abordagem geral, a equipe examinou as colisões de elétrons de quatrilhões e conseguiu isolar e calcular o momento de várias centenas de pares de núcleons de alto momento. Hen compara esses pares a "gotículas de estrelas de nêutrons", pois seu momento e sua distância inferida entre si são semelhantes às condições extremamente densas no núcleo de uma estrela de nêutrons.
Eles trataram cada par isolado como um "instantâneo" e organizaram as várias centenas de instantâneos ao longo de uma distribuição de momento. No extremo inferior dessa distribuição, eles observaram uma supressão de pares próton-próton, indicando que a força nuclear forte atua principalmente para atrair prótons para nêutrons no momento intermediário alto e em distâncias curtas.
Ao longo da distribuição, eles observaram uma transição: parecia haver mais próton-próton e, por simetria, pares nêutron-nêutron, sugerindo que, em momentos mais altos ou em distâncias cada vez mais curtas, a força nuclear forte atua não apenas nos prótons e nêutrons, mas também em prótons e prótons e nêutrons e nêutrons. Essa força de emparelhamento é de natureza repulsiva, o que significa que a distâncias curtas os nêutrons interagem repelindo-se fortemente.
"Essa idéia de um núcleo repulsivo na força nuclear forte é algo lançado como algo mítico que existe, mas não sabemos como chegar lá, como este portal de outro reino", diz Schmidt. "E agora temos dados em que essa transição está nos encarando, e isso foi realmente surpreendente".
Os pesquisadores acreditam que essa transição na força nuclear forte pode ajudar a definir melhor a estrutura de uma estrela de nêutrons. Hen encontrou anteriormente evidências de que, no núcleo externo das estrelas de nêutrons, os nêutrons emparelham-se principalmente com prótons através da forte atração. Com seu novo estudo, os pesquisadores descobriram evidências de que, quando as partículas são compactadas em configurações muito mais densas e separadas por distâncias mais curtas, a forte força nuclear cria uma força repulsiva entre os nêutrons que, no núcleo de uma estrela de nêutrons, ajuda a impedir que a estrela se desmorone. em si mesmo.
Menos de um saco de quarks
A equipe fez duas descobertas adicionais. Por um lado, suas observações correspondem às previsões de um modelo surpreendentemente simples que descreve a formação de correlações de curto alcance devido à forte força nuclear. Por outro lado, contra as expectativas, o núcleo de uma estrela de nêutrons pode ser descrito estritamente pelas interações entre prótons e nêutrons, sem a necessidade de explicar explicitamente interações mais complexas entre os quarks e glúons que compõem os núcleons individuais.
Quando os pesquisadores compararam suas observações com vários modelos existentes da força nuclear forte, encontraram uma correspondência notável com as previsões do Argonne V18, um modelo desenvolvido por um grupo de pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne, que considerava 18 maneiras diferentes de os nucleons interagirem, pois são separados por distâncias cada vez mais curtas.
Isso significa que, se os cientistas querem calcular propriedades de uma estrela de nêutrons, Hen diz que eles podem usar esse modelo específico de Argonne V18 para estimar com precisão as fortes interações da força nuclear entre pares de núcleons no núcleo. Os novos dados também podem ser usados para comparar abordagens alternativas para modelar os núcleos de estrelas de nêutrons.
O que os pesquisadores acharam mais empolgante foi que esse mesmo modelo, como está escrito, descreve a interação de núcleons a distâncias extremamente curtas, sem levar explicitamente em consideração quarks e glúons. Os físicos haviam assumido que, em ambientes caóticos extremamente densos, como núcleos estelares de nêutrons, as interações entre nêutrons deveriam dar lugar às forças mais complexas entre quarks e glúons. Como o modelo não leva em conta essas interações mais complexas e porque suas previsões a curtas distâncias correspondem às observações da equipe, Hen diz que é provável que o núcleo de uma estrela de nêutrons possa ser descrito de uma maneira menos complicada.
"As pessoas supunham que o sistema é tão denso que deveria ser considerado uma sopa de quarks e glúons", explica Hen. "Mas descobrimos que mesmo nas densidades mais altas, podemos descrever essas interações usando prótons e nêutrons; elas parecem manter suas identidades e não se transformam nesse saco de quarks. Portanto, os núcleos das estrelas de nêutrons podem ser muito mais simples do que as pessoas pensam. Isso é uma grande surpresa".
Explorar mais
Mais informações: Sondando o núcleo da forte interação nuclear, Natureza (2020). DOI: 10.1038 / s41586-020-2021-6 , https://nature.com/articles/s41586-020-2021-6
Informações da revista: Nature
Fornecido pelo Massachusetts Institute of Technology
Fonte: Phys News / 27/02/2020
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
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da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
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