Decifrando os mistérios do universo primitivo – a ressonância de prótons oferece novas perspectivas

por Tatsuya Nakamura
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Proton Resonance

A pesquisa física de meados do século 20 revelou o fenômeno da ressonância de prótons, mas uma compreensão abrangente da arquitetura tridimensional dos prótons em ressonância permanece indefinida. Os últimos experimentos conduzidos no Jefferson Lab contribuem com dados valiosos sobre o universo primitivo e partículas elementares como os núcleons, compostos de quarks e glúons.

Estudos recentes iluminam as configurações tridimensionais das ressonâncias de núcleons.

Em meados do século 20, pesquisas científicas revelaram que os prótons podiam ressoar, semelhante à vibração de um sino. Nas décadas seguintes, os avanços geraram representações tridimensionais de prótons, aumentando substancialmente a nossa compreensão de sua estrutura no estado fundamental. No entanto, ainda há escassez de informações sobre a organização tridimensional de um próton em ressonância.

Novos experimentos realizados no Thomas Jefferson National Accelerator Facility, do Departamento de Energia dos EUA, investigaram mais detalhadamente as geometrias tridimensionais das ressonâncias de prótons e nêutrons. Esta pesquisa acrescenta outro elemento à compreensão complexa do universo tumultuado e emergente que existiu logo após o Big Bang.

A exploração das qualidades e comportamentos intrínsecos dos núcleons fornece revelações essenciais sobre os constituintes fundamentais da matéria. Núcleons são os prótons e nêutrons que constituem os núcleos atômicos. Cada núcleon é composto de três quarks, fortemente conectados por glúons através da força forte – a interação mais potente da natureza.

A configuração mais estável e de baixa energia de um núcleon é chamada de estado fundamental. No entanto, quando elevados à força para um estado de energia superior, os seus quarks envolvem-se em movimentos rotacionais e vibracionais, exibindo um fenómeno denominado ressonância nuclear.

Uma equipe de pesquisa composta por físicos da Justus Liebig Universitat (JLU) Giessen na Alemanha e da Universidade de Connecticut liderou o esforço da Colaboração CLAS para realizar um experimento explorando essas ressonâncias de núcleons. O experimento foi executado no avançado Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) do Jefferson Lab, uma instalação de usuário do DOE Office of Science que apoia os esforços investigativos de mais de 1.800 físicos nucleares em todo o mundo. Os resultados da pesquisa foram recentemente documentados na conceituada revista revisada por pares, Physical Review Letters.

Stefan Diehl, o líder da análise, indicou que a pesquisa da equipe elucida atributos fundamentais das ressonâncias dos núcleons. Diehl, pesquisador de pós-doutorado e líder de projeto no 2º Instituto de Física da JLU Giessen e professor pesquisador da Universidade de Connecticut, também apontou que este trabalho estimula novas investigações sobre a estrutura tridimensional dos prótons em ressonância e seu processo de excitação.

“Isto representa o caso inaugural em que uma medição ou observação é sensível às propriedades tridimensionais de tal estado excitado”, afirmou Diehl. “Essencialmente, esta é apenas a fase inicial, e esta medição está inaugurando um novo domínio de investigação.”

O Enigma da Formação da Matéria

O experimento ocorreu no Salão Experimental B entre 2018 e 2019, utilizando o detector CLAS12 do Jefferson Lab. Um feixe de elétrons de alta velocidade foi direcionado para uma câmara cheia de gás hidrogênio resfriado. Os elétrons colidiram com os prótons da câmara, excitando assim os quarks e induzindo a ressonância do núcleo em conjunto com um estado quark-antiquark, conhecido como méson.

Embora essas excitações sejam transitórias, elas deixam vestígios na forma de novas partículas, originadas da dissipação de energia das partículas excitadas. Estas novas partículas têm uma vida útil suficientemente longa para serem detectadas, permitindo à equipa reconstruir a ressonância.

Diehl e seus colegas apresentaram recentemente suas descobertas em um workshop colaborativo intitulado “Explorando estrutura de ressonância com GPDs de transição” em Trento, Itália. O estudo já motivou dois grupos teóricos a publicarem artigos discutindo a pesquisa.

Experimentos futuros estão planejados no Jefferson Lab, utilizando vários alvos e polarizações. Ao dispersar elétrons de prótons polarizados, a equipe pretende investigar diferentes aspectos do mecanismo de dispersão. Além disso, estudar processos semelhantes, como a geração de ressonância junto com um fóton energético, pode produzir dados vitais adicionais.

Diehl observou que tais estudos podem ajudar os cientistas a deduzir as propriedades do cosmos logo após o Big Bang. “Inicialmente, o universo primitivo continha apenas um plasma de alta energia de quarks e glúons, todos em estado de rotação devido à imensa energia”, explicou Diehl. “Eventualmente, a matéria começou a coalescer e as primeiras entidades a se formarem foram os estados de núcleos excitados. À medida que o Universo continuou a expandir-se e a arrefecer, os núcleons do estado fundamental tornaram-se estáveis.”

“Através destes esforços de investigação, podemos obter insights sobre as características destas ressonâncias, que por sua vez poderiam revelar como a matéria surgiu no universo e porque é que o universo persiste no seu estado atual.”

Referência: “Primeira medição de assimetrias de feixe-spin de eletroprodução exclusivas rígidas π−Δ++ fora do próton” por S. Diehl et al. (Colaboração CLAS), publicado em 11 de julho de 2023 na Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021901

Stefan Diehl, natural de Lich, Alemanha, engajou-se em estudos de física para compreender os fenômenos naturais e a essência do mundo. Ele obteve bacharelado, mestrado e doutorado pela JLU Giessen e faz parte de múltiplas colaborações como CLAS, PANDA, ePIC e COMPASS, e é coautor de mais de 70 artigos revisados por pares.

O projeto de pesquisa recebeu financiamento do Departamento de Energia dos EUA.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre ressonância de prótons

Qual é o foco principal dos experimentos recentes no Jefferson Lab?

O objetivo principal dos experimentos recentes no Jefferson Lab é investigar as estruturas tridimensionais da ressonância de prótons e nêutrons. Esta pesquisa contribui para uma compreensão mais ampla do universo primitivo e das partículas fundamentais como os núcleons, que são constituídos por quarks e glúons.

Quem conduziu a pesquisa e onde ela foi publicada?

A pesquisa foi liderada por um grupo de físicos da Justus Liebig Universitat (JLU) Giessen, na Alemanha, e da Universidade de Connecticut. Eles lideraram o esforço da Colaboração CLAS para este experimento. As descobertas foram publicadas recentemente na prestigiosa revista Physical Review Letters.

O que são ressonâncias de núcleons?

As ressonâncias dos núcleons são os estados de energia mais alta dos núcleons (prótons e nêutrons), onde os quarks dentro dos núcleons vibram e giram uns contra os outros. Este fenômeno é essencial para a compreensão dos blocos básicos de construção da matéria.

Qual é a importância de compreender a estrutura 3D de um próton em ressonância?

Uma compreensão abrangente da estrutura 3D de um próton em ressonância poderia fornecer informações valiosas sobre o universo primitivo e as partículas fundamentais que constituem a matéria. É crucial para o avanço no campo da física de partículas e para uma compreensão mais profunda das origens cósmicas.

Que pesquisas futuras estão planejadas nesta área?

A equipe planeja mais experimentos no Jefferson Lab usando diferentes alvos e polarizações para sondar vários aspectos do processo de dispersão. Eles também pretendem estudar processos semelhantes, como a geração de ressonância em combinação com um fóton energético, para produzir mais informações cruciais.

Quais são as implicações mais amplas desta pesquisa para a nossa compreensão do universo?

A pesquisa ajuda a decifrar as propriedades do cosmos inicial logo após o Big Bang. Ao compreender as características destas ressonâncias, os cientistas podem obter insights sobre como a matéria foi formada no universo e por que o universo existe no seu estado atual.

Quem financiou o estudo de pesquisa?

O projeto de pesquisa recebeu financiamento do Departamento de Energia dos EUA.

Que novas contribuições esta pesquisa fez?

Este estudo representa a primeira vez que uma medição ou observação foi sensível às propriedades tridimensionais das ressonâncias de núcleons em estado excitado, inaugurando assim um novo domínio de pesquisa em física de partículas.

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