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Um mistério envolvendo o núcleo de átomos parece ter finalmente se resolvido

POR Jesus Galvão    EM Ciência e Tecnologia      27/02/19 às 14h59

Cientistas perceberam algo sobre os átomos que nunca havia sido mencionado antes. Os quarks, partículas fundamentais, ficam mais lentos quando são capturadas em meio aos prótons e nêutrons. E isso, aparentemente, não deveria acontecer. Por muito tempo, cientistas buscaram compreender a tendência das quarks em desacelerar em átomos maiores. Porém, nunca chegaram a uma conclusão.

Entretanto, um novo olhar sobre antigos dados parece finalmente ter revelado pistas que expliquem este estranho fenômeno. Um time de físicos, conhecido como CLAS Collaboration, analisaram, recentemente, dados que foram coletados em experimentos prévios no Jefferson Lab, nos Estados Unidos. Toda a pesquisa foi publicada na revista científica Nature, em inglês.

As evidências

O objetivo era encontrar evidências para comprovar uma das duas possíveis razões sobre o porquê de as unidades fundamentais que formam prótons e nêutrons - as quarks - terem menos impulso dentro de átomos maiores. Isso foi notado pela primeira vez, no início da década de 1980, pela European Muon Collaboration.

Eles observaram a diferença de como as partículas nucleares se comportavam quando atreladas a grandes átomos como o ferro, quando comparadas a átomos menores como o do hidrogênio. Em outras palavras, quanto maiores os átomos, mais lentos seus quarks se tornariam. Tal fenômeno ficou conhecido como efeito EMC.

"Atualmente, existem dois modelos principais que descrevem esse efeito. Um modelo é que todos os prótons e nêutrons em um núcleo (e, portanto, seus quarks) são modificados e todos são modificados da mesma maneira", disse o físico nuclear do Jefferson Lab, Douglas Higinbotham.

No entanto, há uma outra explicação que sugere que a resposta seria uma espécie de relacionamento de curto alcance quando diferentes grupos de quarks estão dentro do alcance. "Muitos prótons e nêutrons estão se comportando como se fossem livres, enquanto outros estão envolvidos em correlações de curto alcance e são altamente modificados", completou Higinbotham.

Ao analisar dados antigos sobre a dispersão de elétrons refletindo prótons e nêutrons dentro de átomos de carbono, alumínio, chumbo e fero, os cientistas puderam encontrar uma função que descrevam o efeito EMC. Tudo se basearia na possibilidade de uma breve relação de curto alcance entre um próton e um nêutron quando se tocam.

"Agora temos essa função, onde temos pares correlacionados de curto alcance de prótons e nêutrons, e acreditamos que ela possa descrever o efeito de EMC", informou Barak Schmookler, físico e pesquisador da Stony Brook University, dos Estados unidos.

Os modelos

O que dá suporte ao modelo que diz que as quarks agem de forma distinta apenas sob circunstâncias específicas. Por exemplo, quando a combinação certa de prótons e nêutrons aproximam-se mais do que o normal. No contrário, as partículas nucleares e as quarks agem como agentes livres.

Isso seria, em termos da física quântica, uma sobreposição de estrutura compatível que dá a cada conjunto de quarks liberdade para se movimentarem. Aumentando o espaço onde tais partículas podem ser encontradas, diminuindo o momento elas podem ter.

"Na mecânica quântica, toda vez que você aumenta o volume sobre o qual um objeto é confinado, ele fica mais lento. Se você apertar o espaço, ele acelera. Isso é um fato conhecido", disse o estudante de pós-doutorado no Laboratório de Ciência Nuclear do MIT, Axel Schmidt.

Em outras palavras, com mais nêutrons na área local, cada próton tem maior chance de encontrar "seu par". O que nos faz pensar que devemos abandonar a ideia de que essa perda de impulso seja uma característica central das quarks, uma vez que elas se reúnem dentro de grandes núcleos.

"A imagem antes deste modelo é de que todos os prótons e nêutrons, quando estão presos em um núcleo, todos as quarks começam a desacelerar. E o que esse modelo sugere é que a maioria dos prótons e nêutrons continua como se nada tivesse mudado, e são os prótons e nêutrons selecionados que estão nesses pares que realmente têm uma mudança significativa em suas quarks", disse Schmidt.

Mais experimentos de acompanhamento serão realizados no Jefferson Lab e poderão fornecer mais detalhes de como os prótons se movem nos núcleos menos congestionados, o deutério. Por enquanto, esse mistério da física ainda não foi complemente solucionado, porém, ganhou um novo capítulo.

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Jesus Galvão
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