Os físicos finalmente calcularam de onde vem a massa do próton

A massa de um próton é mais justa do que a soma de suas partes. E agora os cientistas sabem exatamente o que responde por peso da partícula subatômica. Prótons são feitos de quarks ainda menores partículas chamadas, de modo que você pode esperar que simplesmente adicionando-se as massas dos quarks deve dar-lhe a massa do próton. Contudo, que soma é pequena demais para explicar em massa do próton. E novo, detalhados cálculos mostram que só 9 por cento do peso do próton vem da massa de quarks constituintes. O resto da massa do protão vem de efeitos complicados que ocorrem no interior da partícula, pesquisadores relatam na novembro. 23 Cartas de revisão física.

ENORME EMPREENDIMENTO Usando uma técnica chamada rede QCD, os cientistas descobriram como os prótons (ilustrado aqui no núcleo de um átomo) pegue sua massa Foto: KTSDESIGN/SHUTTERSTOCK

Quarks obtêm suas massas de um processo conectado ao bóson de Higgs, uma partícula elementar detectada pela primeira vez em 2012 (SN: 7/28/12, p. 5). Mas “as massas dos quarks são minúsculas,” diz o coautor do estudo e físico teórico Keh-Fei Liu, da Universidade de Kentucky, em Lexington.. assim, para prótons, a explicação de Higgs é insuficiente.

Em vez de, a maioria dos prótons 938 milhões de elétron-volts de massa é devido a complexidades da cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que explica a agitação de partículas dentro do próton. Fazer cálculos com QCD é extremamente difícil, para estudar as propriedades do próton teoricamente, os cientistas contam com uma técnica chamada rede QCD, em que o espaço e o tempo são divididos em uma grade, sobre o qual os quarks residem.

Usando esta técnica, os físicos já tinham calculou a massa do próton (SN: 12/20/08, p. 13). Mas os cientistas não haviam dividido de onde vem essa massa até agora, diz o físico teórico André Walker-Loud, do Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia. “É empolgante porque é um sinal de que… realmente atingimos esta nova era” na qual a rede QCD pode ser usada para entender melhor a física nuclear.

Em adição ao 9 porcentagem da massa do próton que vem do peso dos quarks, 32 por cento vem da energia dos quarks girando dentro do próton, Liu e seus colegas descobriram. (Isso porque energia e massa são dois lados da mesma moeda, graças à famosa equação de Einstein, E=mc².) Outros ocupantes do próton, partículas sem massa chamadas glúons que ajudam a manter os quarks juntos, contribuir com outro 36 por cento através da sua energia.

O restante 23 por cento surge devido a efeitos quânticos que ocorrem quando quarks e glúons interagem de maneiras complicadas dentro do próton. Essas interações fazem com que o QCD desrespeite um princípio chamado invariância de escala. Em teorias invariantes de escala, esticar ou encolher o espaço e o tempo não faz diferença para os resultados das teorias. Partículas massivas fornecem à teoria uma escala, então quando QCD desafia a invariância de escala, prótons também ganham massa.

Os resultados do estudo não são surpreendentes, diz o físico teórico Andreas Kronfeld do Fermilab em Batávia, Doente. Os cientistas há muito suspeitam que a massa do próton foi composta dessa maneira. Mas, ele diz, “esse tipo de cálculo substitui uma crença por conhecimento científico.”

Fonte: www.sciencenews.org, por Emily Conover