Os físicos nucleares podem ter finalmente identificado onde reside no próton uma grande fração de sua massa. Um experimento recente realizado no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA revelou o raio da massa do próton que é gerado pela força forte à medida que une os quarks do bloco de construção do próton. O resultado foi publicado recentemente na Nature.

Um dos maiores mistérios do próton é a origem de sua massa. Acontece que a massa medida do próton não vem apenas de seus blocos de construção físicos, seus três, assim conhecidos, quarks de valência.

“Se você somar as massas do Modelo Padrão dos quarks em um próton, obterá apenas uma pequena fração da massa do próton”, explicou o co-porta-voz do experimento Sylvester Joosten, físico experimental do Laboratório Nacional Argonne do DOE.

Ao longo das últimas décadas, os físicos nucleares concluíram provisoriamente que a massa do próton vem de várias fontes. Primeiro, ele obtém alguma massa das massas de seus quarks e um pouco mais de seus movimentos. Em seguida, obtém massa da energia da força forte que une esses quarks, com essa força se manifestando como "glúons". Por fim, obtém massa das interações dinâmicas dos quarks e glúons do próton.

Essa nova medição pode ter finalmente lançado alguma luz sobre a massa gerada pelos glúons do próton, identificando a localização da matéria gerada por esses glúons. Descobriu-se que o raio desse núcleo de matéria residia no centro do próton. O resultado também parece indicar que esse núcleo tem um tamanho diferente do raio de carga bem medido do próton, uma quantidade que costuma ser usada como proxy (valor intermediário) para o tamanho do próton.

"O raio dessa estrutura de massa é menor que o raio da carga e, portanto, nos dá uma noção da hierarquia da massa versus a estrutura de carga do núcleon", disse o co-porta-voz do experimento Mark Jones, líder Halls A&C do Jefferson Lab.

De acordo com o co-porta-voz do experimento, Zein-Eddine Meziani, um cientista da equipe do Laboratório Nacional de Argonne do DOE, esse resultado foi uma surpresa.

"O que descobrimos é algo que realmente não esperávamos que viesse desta forma. O objetivo original deste experimento era a busca por um pentaquark que foi relatado por pesquisadores do CERN", disse Meziani.

O experimento foi realizado no Experimental Hall C nas instalações do acelerador de feixe de elétrons contínuos do Jefferson Lab, uma instalação do usuário do DOE Office of Science. No experimento, elétrons energéticos de 10,6 GeV (bilhões de elétron-volt) do acelerador CEBAF foram enviados para um pequeno bloco de cobre. Os elétrons foram desacelerados ou desviados pelo bloco, fazendo com que eles emitissem radiação bremsstrahlung como fótons. Esse feixe de fótons atingiu os prótons dentro de um alvo de hidrogênio líquido. Detectores mediram os remanescentes dessas interações como elétrons e pósitrons.

Os pesquisadores estavam interessados nas interações que produziam partículas J/Ψ entre os núcleos de prótons do hidrogênio. O J/Ψ é um méson de vida curta que é feito de quarks charm/anti-charm. Uma vez formado, decai rapidamente em um par elétron/pósitron.

Dos bilhões de interações, os pesquisadores encontraram cerca de 2.000 partículas J/Ψ em suas medições de seção transversal dessas interações, confirmando os pares elétron/pósitron coincidentes.

"É semelhante ao que temos feito o tempo todo. Ao fazer a dispersão elástica do elétron no próton, obtemos a distribuição de carga do próton", disse Jones. "Nesse caso, fizemos fotoprodução exclusiva do J/Ψ do próton e estamos obtendo a distribuição de glúons em vez da distribuição de carga."

Os colaboradores foram então capazes de inserir essas medições de seção transversal em modelos teóricos que descrevem os fatores de forma gravitacionais gluônicos do próton. Os fatores de forma gluônicos detalham as características mecânicas do próton, como sua massa e pressão.

"Havia duas quantidades, conhecidas como fatores de forma gravitacional, que pudemos extrair, porque tínhamos acesso a esses dois modelos: o modelo de distribuição generalizada de partons e o modelo de cromodinâmica quântica holográfica (QCD). E comparamos os resultados de cada um desses modelos com cálculos QCD de rede", acrescentou Meziani.

A partir de duas combinações diferentes dessas quantidades, os pesquisadores determinaram o raio da massa gluônica acima mencionado, dominado por glúons semelhantes a grávitons, bem como um raio maior de glúons escalares atraentes que se estendem além dos quarks em movimento e os confinam.

“Uma das descobertas mais intrigantes de nosso experimento é que, em uma das abordagens do modelo teórico, nossos dados sugerem uma distribuição escalar de glúons que se estende muito além do raio eletromagnético do próton”, disse Joosten. “Para entender completamente essas novas observações e suas implicações em nossa compreensão do confinamento, precisaremos de uma nova geração de experimentos J/Ψ de alta precisão”.

Uma possibilidade para uma maior exploração deste novo resultado tentador é o programa de experimento Solenoidal Large Intensity Device, chamado SoLID. O programa SoLID ainda está em fase de proposta. Se aprovado para avançar, os experimentos conduzidos com o aparelho SoLID forneceriam uma nova visão da física J/Ψ.

"O próximo grande passo é medir a produção de J/Ψ com o detector SoLID. Ele realmente será capaz de fazer medições de alta precisão nesta região. Um dos principais pilares desse programa é a produção de J/Ψ, juntamente com o momento transversal medições de distribuição e medições de espalhamento inelástico profundo com violação de paridade", disse Jones.

Jones, Joosten e Meziani representam uma colaboração experimental que inclui mais de 50 físicos nucleares de 10 instituições. Os porta-vozes também querem destacar Burcu Duran, autor principal e pesquisador associado de pós-doutorado na Universidade do Tennessee, Knoxville. Duran apresentou este experimento em sua tese de doutorado como estudante de pós-graduação na Temple University, e ela foi uma força motriz por trás da análise dos dados.

A colaboração conduziu o experimento durante cerca de 30 dias em fevereiro-março de 2019. Eles concordam que esse novo resultado é intrigante e dizem que todos estão ansiosos por resultados futuros que lançarão luz adicional sobre os vislumbres da nova física que isso implica.

"O resultado final para mim - há uma empolgação agora. Podemos encontrar uma maneira de confirmar o que estamos vendo? Essa nova informação de imagem vai ficar?" disse Meziani. "Mas para mim, isso é realmente muito emocionante. Porque se eu pensar agora em um próton, temos mais informações sobre ele agora do que jamais tivemos antes."