Há muito tempo, os físicos nucleares têm trabalhado para revelar o spin do próton. Agora, um novo método que combina dados experimentais com cálculos de ponta revelou uma imagem mais detalhada das contribuições de spin do “cola” que mantém os prótons unidos. Além disso, pavimenta o caminho para a visualização da estrutura tridimensional do próton.
O trabalho foi liderado por Joseph Karpie, um associado pós-doutorado no Centro de Física Teórica e Computacional (Centro de Teoria) no Laboratório Nacional de Aceleração de Thomas Jefferson, do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Ele disse que esse mistério de décadas começou com medições das fontes do spin do próton em 1987. Os físicos originalmente pensavam que os blocos de construção do próton, seus quarks, seriam a principal fonte do spin do próton. Mas não foi isso que eles descobriram.
Acontece que os quarks do próton fornecem apenas cerca de 30% do spin total medido do próton. O restante vem de duas outras fontes que até agora se mostraram mais difíceis de medir. Uma delas é a misteriosa, mas poderosa, força forte. A força forte é uma das quatro forças fundamentais do universo. É o que “cola” os quarks juntos para formar outras partículas subatômicas, como prótons ou nêutrons. Manifestações dessa força forte são chamadas de gluons, que se pensa contribuírem para o spin do próton. A última parte do spin é pensada para vir dos movimentos dos quarks e gluons do próton.
“Este artigo é uma espécie de reunião de dois grupos no Centro de Teoria que estavam trabalhando para entender o mesmo pedaço de física, que é como eles estão dentro dele contribuem para o quanto o próton está girando ao redor,” ele disse. Ele disse que este estudo foi inspirado por um resultado intrigante que veio de medições experimentais iniciais do spin dos gluons. As medições foram feitas no Colisor de Íons Pesados Relativísticos, uma instalação de usuário do Departamento de Ciência de Energia do DOE baseada no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York.
Mas à medida que a análise dos dados foi melhorada, uma possibilidade adicional apareceu. “Quando eles melhoraram sua análise, começaram a obter dois conjuntos de resultados que pareciam bastante diferentes, um era positivo e o outro negativo,” explicou Karpie. Enquanto o resultado positivo anterior indicava que estão alinhados com o do próton, a análise aprimorada permitiu a possibilidade de que os spins tenham uma contribuição global negativa. Nesse caso, mais do spin do próton viria dos movimentos dos quarks e gluons, ou do spin dos próprios quarks.
Este resultado intrigante foi publicado pela colaboração Jefferson Lab Angular Momentum (JAM). Enquanto isso, a colaboração HadStruc estava abordando as mesmas medições de uma maneira diferente. Eles estavam usando supercomputadores para calcular a teoria subjacente que descreve as interações entre quarks e gluons no próton, a Cromodinâmica Quântica (QCD). Para equipar os supercomputadores para fazer esse cálculo intenso, os teóricos simplificam um pouco alguns aspectos da teoria. Esta versão um pouco simplificada para computadores é chamada de QCD em reticulado.
Karpie liderou o trabalho de reunir os dados de ambos os grupos. Ele começou com os dados combinados de experimentos realizados em instalações ao redor do mundo. Ele então adicionou os resultados do cálculo da QCD em reticulado em sua análise. “Isso está juntando tudo o que sabemos sobre o spin dos quarks e gluons e como contribuem para o spin do próton em uma dimensão,” disse David Richards, um cientista sênior do Jefferson Lab que trabalhou no estudo. “Quando fizemos isso, vimos que as coisas negativas não desapareceram, mas mudaram dramaticamente.
Karpie é autor principal do estudo que foi recentemente publicado no Physical Review D. Ele disse que a principal conclusão é que a combinação dos dados de ambas as abordagens forneceu um resultado mais informado. “Estamos combinando os dois conjuntos de dados juntos e obtendo um resultado melhor do que qualquer um de nós poderia obter independentemente. Isso realmente mostra que aprendemos muito mais combinando QCD em reticulado e experimento juntos em uma análise de problema”.
“Este é o primeiro passo, e esperamos continuar fazendo isso com mais e mais observáveis, bem como produzir mais dados em reticulado.” O próximo passo é melhorar ainda mais os conjuntos de dados. À medida que experimentos mais poderosos fornecem informações mais detalhadas sobre o próton, esses dados começam a pintar uma imagem que vai além de uma dimensão. E à medida que os teóricos aprendem a melhorar seus cálculos em supercomputadores cada vez mais poderosos, suas soluções também se tornam mais precisas e inclusivas.
O objetivo é eventualmente produzir uma compreensão tridimensional da estrutura do próton. “Então, aprendemos que nossas ferramentas funcionam no cenário mais simples de uma dimensão. Testando nossos métodos agora, esperamos saber o que precisamos fazer quando quisermos passar para a estrutura 3D,” disse Richards. “Este trabalho contribuirá para essa imagem 3D do que um próton deve parecer. Então, é tudo sobre construir nosso caminho até o cerne do problema fazendo essas coisas mais fáceis agora.” P.S.: Spin do Próton, simplisticamente, significa a órbita do próton.