Ao fim de 50 anos, físicos encontram fortes indícios sobre o que realmente mantém a matéria unida.
O Universo é como água a correr encosta abaixo. E isto não é um mantra espiritual ao estilo New Age.
As partículas e os sistemas tendem espontaneamente a passar para estados de menor energia. É o que acontece, por exemplo, quando partículas pesadas decaem em partículas mais leves.
Os protões estão no fundo dessa encosta. São os bariões mais leves, partículas subatómicas constituídas por quarks, e nunca se observou o decaimento de um protão, explica o Science Alert.
Agora, investigadores encontraram indícios de que uma das propriedades fundamentais do protão pode funcionar de forma diferente daquilo que se pensava.
A descoberta poderá ajudar a resolver um velho mistério: o que mantém, afinal, a matéria unida no Universo?
A aparente estabilidade do protão está ligada à conservação do número bariónico, uma propriedade que ajuda a distinguir matéria de antimatéria.
A explicação convencional assume que o número bariónico é transportado pelos três quarks de valência que constituem bariões como os protões e os neutrões.
Mas um novo estudo, baseado em colisões de partículas a altas energias, apresenta agora alguns dos indícios experimentais mais fortes até hoje contra esta imagem simples assente nos quarks de valência.
Publicado esta quinta-feira na Science, o estudo apoia a hipótese de que o número bariónico é, na realidade, transportado por uma “junção bariónica” em forma de Y, formada por gluões sem massa que funcionam como a “cola” que mantém os bariões unidos.
A ideia foi proposta na década de 1970. Mas, durante décadas, os físicos não conseguiram testar de forma adequada estas duas explicações concorrentes.
“Os três extremos da junção bariónica estão ligados aos quarks de valência, o que torna indistinguível, na maioria dos processos físicos, se é a junção ou se são os quarks de valência que transportam o número bariónico”, escrevem os investigadores.
“Por esse motivo, nenhum dos cenários foi até agora confirmado experimentalmente de forma inequívoca.”
Como tantas vezes acontece quando a física de partículas apresenta um problema difícil, uma boa forma de o estudar é fazer partículas colidirem umas com as outras a velocidades próximas da velocidade da luz.
Foi isso que fez a STAR Collaboration, uma vasta equipa internacional de investigadores.
O grupo analisou os resultados de diferentes tipos de colisões produzidas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), o acelerador e colisor de partículas do Brookhaven National Laboratory, em Nova Iorque, entretanto desativado.
A equipa estudou colisões fotonucleares e colisões entre núcleos isobáricos. Depois, comparou os resultados com vários modelos computacionais que simulam colisões de partículas a altas energias.
As colisões entre núcleos isobáricos envolvem núcleos com o mesmo número de massa. Os investigadores medem depois a quantidade líquida de bariões transportada em relação à carga elétrica líquida, comparando diferentes espécies de núcleos.
Neste caso, foram usados núcleos de átomos de ruténio e de zircónio.
A experiência deveria deixar uma assinatura específica. Sabe-se que os quarks de valência transportam carga elétrica, ao passo que a junção bariónica tem carga elétrica nula.
Os investigadores descobriram que os bariões percorrem uma distância maior através da zona de colisão, densa e altamente energética, do que a carga elétrica.
O resultado sugere que o número bariónico é transportado pela junção, que perde menos velocidade do que os quarks de valência eletricamente carregados.
As colisões fotonucleares permitem testar o problema de outra forma.
Neste caso, estudam-se as interações entre fotões, as partículas da luz, e os núcleos de átomos de ouro quando passam muito perto uns dos outros a velocidades relativísticas.
A estas velocidades extremas, os núcleos de ouro, com carga positiva, geram um campo eletromagnético que pode ser descrito, na prática, como um fotão virtual “quase real”.
“Quando os iões se deslocam a velocidades próximas da velocidade da luz, há muitos fotões em redor do núcleo de ouro, que viajam com ele como uma nuvem”, explicou Zhangbu Xu, físico da Kent State University e membro da STAR Collaboration, num artigo anterior.
Estes fotões colidem depois com os núcleos de ouro. Isso permite obter uma visão mais “limpa” do transporte do número bariónico, porque todos os bariões detetados nos “destroços” da colisão têm necessariamente de estar associados aos núcleos de ouro.
Por outras palavras, como o fotão incidente tem número bariónico zero, qualquer número bariónico líquido medido depois da interação terá, em última análise, de vir do núcleo de ouro.
Tal como nas experiências com isóbaros, os resultados parecem estar de acordo com as previsões da teoria de Regge, que incorpora uma junção bariónica de forma mais consistente do que as simulações baseadas nos quarks de valência.
“Estes resultados, apoiados por dados anteriormente divulgados pela STAR sobre colisões Au+Au a várias energias de feixe, desfavorecem o modelo baseado nos quarks de valência”, escrevem os investigadores.
Num artigo de acompanhamento publicado na mesma edição da Science, Wenliang Li, físico da Mississippi State University, sublinha que, embora as novas medições indiquem que os gluões podem contribuir para o transporte do número bariónico, não constituem uma medição direta e rigorosamente controlada do mecanismo que está por trás desse transporte.
Com mais investigação, esta descoberta poderá ajudar os físicos a compreender o desequilíbrio entre matéria e antimatéria que tornou possível a existência do Universo tal como o vemos hoje. É um dos maiores mistérios da cosmologia.