Os físicos começaram a explorar o próton como se fosse um planeta subatômico. Mapas de corte mostram detalhes recém-descobertos do interior da partícula. O núcleo do próton apresenta pressões mais intensas do que em qualquer outra forma conhecida de matéria. A meio caminho da superfície, vórtices de força em conflito empurram-se uns contra os outros. E o “planeta” como um todo é menor do que as experiências anteriores sugeriram.

As investigações experimentais marcam a próxima etapa na busca pela compreensão da partícula que ancora cada átomo e constitui a maior parte do nosso mundo.

“Nós realmente vemos isso como a abertura de uma direção completamente nova que mudará a nossa maneira de olhar para a estrutura fundamental da matéria”, disse Latifa Elouadrhiri, um físico do Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, Virgínia, que está envolvido no esforço.

Os experimentos literalmente lançam uma nova luz sobre o próton. Ao longo de décadas, os pesquisadores mapearam meticulosamente a influência eletromagnética da partícula carregada positivamente. Mas na nova investigação, os físicos do Jefferson Lab estão, em vez disso, a mapear a influência gravitacional do protão - nomeadamente, a distribuição de energias, pressões e tensões de cisalhamento, que dobram o tecido do espaço-tempo dentro e à volta da partícula. Os investigadores fazem-no explorando uma forma peculiar pela qual pares de fotões, partículas de luz, podem imitar um grávitão, a partícula hipotética que transmite a força da gravidade. Ao enviar fótons ao próton, eles inferem indiretamente como a gravidade interagiria com ele, concretizando um sonho de décadas de interrogar o próton dessa forma alternativa.

“É um tour de force”, disse Cédric Lorcé, um físico da École Polytechnique da França que não esteve envolvido no trabalho. “Experimentalmente, é extremamente complicado.” 

Dos fótons aos grávitons

Os físicos aprenderam muito sobre o próton nos últimos 70 anos, atingindo-o repetidamente com elétrons. Eles sabem que a sua carga eléctrica se estende por cerca de 0.8 femtómetros, ou quatrilionésimos de metro, do seu centro. Eles sabem que os elétrons que chegam tendem a ser refletidos em um dos três quarks – partículas elementares com frações de carga – que vibram dentro deles. Eles também observaram a consequência profundamente estranha da teoria quântica, onde, em colisões mais fortes, os elétrons parecem encontrar um mar espumoso composto de muito mais quarks e também de glúons, os portadores da chamada força forte, que une os quarks.

Toda esta informação vem de uma única configuração: você dispara um elétron contra um próton, e as partículas trocam um único fóton – o portador da força eletromagnética – e se afastam. Esta interação eletromagnética diz aos físicos como os quarks, como objetos carregados, tendem a se organizar. Mas há muito mais no próton do que sua carga elétrica.

“Como a matéria e a energia são distribuídas?” perguntado Pedro Schweitzer, um físico teórico da Universidade de Connecticut. “Não sabemos.”

Schweitzer passou a maior parte de sua carreira pensando no lado gravitacional do próton. Especificamente, ele está interessado em uma matriz de propriedades do próton chamada tensor energia-momento. “O tensor energia-momento sabe tudo o que há para saber sobre a partícula”, disse ele.

Na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que considera a atração gravitacional como objetos seguindo curvas no espaço-tempo, o tensor energia-momento diz ao espaço-tempo como se curvar. Descreve, por exemplo, o arranjo da energia (ou, equivalentemente, da massa) – a fonte da maior parte da torção do espaço-tempo. Ele também rastreia informações sobre como o momento é distribuído, bem como onde haverá compressão ou expansão, o que também pode curvar levemente o espaço-tempo.

Se pudéssemos aprender a forma do espaço-tempo em torno de um próton, Russo e americano físicos elaborados de forma independente na década de 1960, poderíamos inferir todas as propriedades indexadas em seu tensor energia-momento. Isso inclui a massa e o spin do próton, que já são conhecidos, junto com o arranjo das pressões e forças do próton, uma propriedade coletiva que os físicos chamam de “termo Druck”, em homenagem à palavra alemã para pressão. Este termo é “tão importante quanto massa e rotação, e ninguém sabe o que é”, disse Schweitzer – embora isso esteja começando a mudar.

Nos anos 60, parecia que medir o tensor energia-momento e calcular o termo de Druck exigiria uma versão gravitacional do experimento de dispersão usual: você dispara uma partícula massiva contra um próton e deixa os dois trocarem um gráviton – a partícula hipotética que compõe ondas gravitacionais – em vez de um fóton. Mas devido à extrema fraqueza da gravidade, os físicos esperam que a dispersão de grávitons ocorra 39 ordens de magnitude mais raramente do que a dispersão de fótons. As experiências não conseguem detectar um efeito tão fraco.

“Lembro-me de ter lido sobre isso quando era estudante”, disse Volker Burkert, membro da equipe do Jefferson Lab. A conclusão foi que “provavelmente nunca seremos capazes de aprender nada sobre as propriedades mecânicas das partículas”.

Gravidade sem Gravidade

Experimentos gravitacionais ainda são inimagináveis ​​hoje. Mas pesquisas realizadas no final dos anos 1990 e início dos anos 2000 pelos físicos Xiangdong Ji e, trabalhando separadamente, pelo falecido Maxim Polyakov revelou a solução alternativa.

O esquema geral é o seguinte. Quando você dispara um elétron levemente contra um próton, ele geralmente envia um fóton para um dos quarks e se desvia. Mas em menos de um em cada bilhão de eventos, algo especial acontece. O elétron que chega envia um fóton. Um quark o absorve e emite outro fóton um batimento cardíaco depois. A principal diferença é que este evento raro envolve dois fótons em vez de um – tanto fótons de entrada quanto de saída. Os cálculos de Ji e Polyakov mostraram que se os experimentalistas conseguissem recolher o electrão, o protão e o fotão resultantes, poderiam inferir a partir das energias e dos momentos destas partículas o que aconteceu com os dois fotões. E esse experimento de dois fótons seria essencialmente tão informativo quanto o impossível experimento de dispersão de grávitons.

Como poderiam dois fótons saber alguma coisa sobre a gravidade? A resposta envolve matemática complicada. Mas os físicos oferecem duas maneiras de pensar por que o truque funciona.

Os fótons são ondulações no campo eletromagnético, que podem ser descritas por uma única seta, ou vetor, em cada local do espaço, indicando o valor e a direção do campo. Os grávitons seriam ondulações na geometria do espaço-tempo, um campo mais complicado representado por uma combinação de dois vetores em cada ponto. Capturar um gráviton daria aos físicos dois vetores de informação. Fora isso, dois fótons podem substituir um gráviton, uma vez que também carregam coletivamente dois vetores de informação.

Uma interpretação alternativa da matemática é a seguinte. Durante o momento que decorre entre o momento em que um quark absorve o primeiro fóton e o momento em que emite o segundo, o quark segue um caminho através do espaço. Ao investigar este caminho, podemos aprender sobre propriedades como as pressões e forças que o rodeiam.

“Não estamos fazendo um experimento gravitacional”, disse Lorcé. Mas “deveríamos obter acesso indireto à forma como um próton deveria interagir com um gráviton”. 

Sondando o Planeta Próton

Os físicos do Jefferson Lab reuniram alguns eventos de dispersão de dois fótons em 2000. Essa prova de conceito os motivou a construir um novo experimento e, em 2007, eles transformaram elétrons em prótons vezes suficientes para acumular cerca de 500,000 colisões que imitavam grávitons. A análise dos dados experimentais levou mais uma década.

A partir de seu índice de propriedades de curvatura do espaço-tempo, a equipe extraiu o indescritível termo de Druck, publicando sua estimativa das pressões internas do próton em Natureza em 2018.

Eles descobriram que no coração do próton, a força forte gera pressões de intensidade inimaginável – 100 bilhões de trilhões de trilhões de pascais, ou cerca de 10 vezes a pressão no coração de uma estrela de nêutrons. Mais longe do centro, a pressão cai e eventualmente se volta para dentro, como deve ser para o próton não se explodir. “Isso resulta do experimento”, disse Burkert. “Sim, um próton é realmente estável.” (Esta conclusão não tem qualquer influência sobre se os prótons decaem, no entanto, que envolve um tipo diferente de instabilidade prevista por algumas teorias especulativas.)

O grupo do Jefferson Lab continuou a analisar o termo Druck. Eles divulgaram uma estimativa das forças de cisalhamento – forças internas empurrando paralelamente à superfície do próton – como parte de uma revisão publicado em dezembro. Os físicos descobriram que perto do seu núcleo, o próton experimenta uma força de torção que é neutralizada por uma torção na outra direção, mais perto da superfície. Essas medições também ressaltam a estabilidade da partícula. As reviravoltas eram esperadas com base no trabalho teórico de Schweitzer e Polyakov. “No entanto, testemunhá-lo emergir da experiência pela primeira vez é verdadeiramente surpreendente”, disse Elouadrhiri.

Agora eles estão usando essas ferramentas para calcular o tamanho do próton de uma nova maneira. Em experiências de dispersão tradicionais, os físicos observaram que a carga eléctrica da partícula se estende por cerca de 0.8 femtómetros do seu centro (isto é, os seus quarks constituintes zumbem nessa região). Mas esse “raio de carga” tem algumas peculiaridades. No caso do nêutron, por exemplo – a contraparte neutra do próton, em que dois quarks com carga negativa tendem a ficar pendurados nas profundezas da partícula enquanto um quark com carga positiva passa mais tempo perto da superfície – o raio da carga aparece como um número negativo. . “Isso não significa que o tamanho seja negativo; simplesmente não é uma medida fiel”, disse Schweitzer.

A nova abordagem mede a região do espaço-tempo que é significativamente curvada pelo próton. Num preprint que ainda não foi revisado por pares, a equipe do Jefferson Lab calculou que esse raio pode ser cerca de 25% menor do que o raio de carga, apenas 0.6 femtômetros.

Limites do Planeta Próton

Conceitualmente, este tipo de análise suaviza a dança turva dos quarks num objeto sólido, semelhante a um planeta, com pressões e forças atuando em cada partícula de volume. Esse planeta congelado não reflete totalmente o estridente próton em toda a sua glória quântica, mas é um modelo útil. “É uma interpretação”, disse Schweitzer.

E os físicos sublinham que os mapas iniciais são aproximados, por algumas razões.

Primeiro, medir com precisão o tensor energia-momento exigiria energias de colisão muito maiores do que as que o Jefferson Lab pode produzir. A equipa tem trabalhado arduamente para extrapolar cuidadosamente as tendências a partir das energias relativamente baixas a que podem aceder, mas os físicos continuam inseguros sobre a precisão destas extrapolações.

Além disso, o próton é mais do que seus quarks; também contém glúons, que se movimentam com suas próprias pressões e forças. O truque dos dois fótons não consegue detectar os efeitos dos glúons. Uma equipe separada do Jefferson Lab usou um truque análogo (envolvendo uma interação de glúons duplos) para publicar um mapa gravitacional preliminar desses efeitos de glúons em Natureza ano passado, mas também se baseou em dados limitados e de baixo consumo de energia.

“É um primeiro passo”, disse Yoshitaka Hatta, físico do Laboratório Nacional de Brookhaven que se inspirou para começar a estudar o próton gravitacional após o trabalho do grupo do Jefferson Lab em 2018.

Mapas gravitacionais mais nítidos dos quarks do próton e de seus glúons poderão surgir na década de 2030, quando o Colisor de Elétrons-Íons, um experimento atualmente em construção em Brookhaven, iniciará suas operações.

Enquanto isso, os físicos estão avançando com experimentos digitais. Phiala Shanahan, físico nuclear e de partículas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, lidera uma equipe que calcula o comportamento de quarks e glúons a partir das equações da força forte. Em 2019, ela e seus colaboradores estimou as pressões e forças de cisalhamento, e em outubro, eles estimou o raio, entre outras propriedades. Até agora, as suas descobertas digitais alinharam-se amplamente com as descobertas físicas do Jefferson Lab. “Estou certamente bastante entusiasmado com a consistência entre os resultados experimentais recentes e os nossos dados”, disse Shanahan.

Mesmo os vislumbres embaçados do próton obtidos até agora remodelaram suavemente a compreensão dos pesquisadores sobre a partícula.

Algumas consequências são práticas. No CERN, a organização europeia que dirige o Grande Colisor de Hádrons, o maior destruidor de prótons do mundo, os físicos já haviam assumido que, em certas colisões raras, os quarks poderiam estar em qualquer lugar dentro dos prótons em colisão. Mas os mapas de inspiração gravitacional sugerem que os quarks tendem a ficar perto do centro em tais casos.

“Os modelos que eles usam no CERN já foram atualizados”, disse François-Xavier Girod, físico do Jefferson Lab que trabalhou nos experimentos.

Os novos mapas também podem oferecer orientação para a resolução de um dos mistérios mais profundos do próton: por que os quarks se ligam aos prótons. Há um argumento intuitivo de que, como a força forte entre cada par de quarks se intensifica à medida que se distanciam, como um elástico, os quarks nunca conseguem escapar dos seus companheiros.

Mas os prótons são feitos dos membros mais leves da família dos quarks. E os quarks leves também podem ser considerados ondas longas que se estendem além da superfície do próton. Esta imagem sugere que a ligação do protão pode ocorrer não através da tracção interna das bandas elásticas, mas através de alguma interacção externa entre estes quarks ondulados e prolongados. O mapa de pressão mostra a atração da força forte estendendo-se até 1.4 femtômetros e além, reforçando o argumento em favor de tais teorias alternativas.

“Não é uma resposta definitiva”, disse Girod, “mas aponta para o facto de que estas imagens simples com faixas elásticas não são relevantes para os quarks leves”.