Estudo brasileiro propõe mecanismo para explicar um dos grandes enigmas da Física de Partículas
Pesquisa investiga propriedades dos glúons, partículas elementares que não devem possuir massa, mas que em certas condições se comportam como se possuíssem. Questão intriga físicos há décadas
Foi no século V a.C. que o filósofo Demócrito de Abdera formulou a ideia do átomo para explicar o mundo que nos circunda. Segundo postulou o grego, todos os objetos existentes, sejam nos céus ou na Terra, seriam compostos por unidades de matéria fundamentais e indivisíveis. Com o desenvolvimento da ciência, as investigações sobre a natureza última da realidade migraram dos debates filosóficos para os laboratórios de físicos e químicos. A partir do século 19, por meio de experimentos cada vez mais refinados, os cientistas finalmente se depararam com os átomos, mas também com partículas ainda menores, que compõem o átomo.
Essas partículas foram denominadas elétrons, prótons e nêutrons, e vêm sendo observadas diretamente graças ao desenvolvimento de equipamentos como câmaras de bolhas e detectores. Porém, abaixo delas, os experimentos revelaram outro nível de partículas ainda menores. Prótons e nêutrons, que são responsáveis por mais de 99% da massa da matéria visível no Universo, são formados por partículas chamadas quarks, que são mantidas juntas por outras partículas chamadas glúons. No entanto, diferentemente dos elétrons, ninguém jamais observou um quark ou um glúon isolado em um detector, o que dificulta o entendimento do modo como funcionam.
Uma das grandes questões em aberto na física é entender por que, ao contrário de outras partículas elementares, quarks e glúons nunca são observados isoladamente na natureza. Sempre que se busca separá-los, eles permanecem confinados dentro de partículas maiores, como prótons e nêutrons. Os glúons apresentam ainda outra característica intrigante. Em teoria, essas partículas não possuem massa. No entanto, quando os físicos estudam como elas se propagam em distâncias muito pequenas, próximas ao tamanho de um próton, os resultados indicam que elas passam a se comportar como se tivessem massa. Esse aparente paradoxo levanta uma questão importante: de onde viria essa massa? Ela não pode simplesmente surgir do nada. Acredita-se que exista algum mecanismo responsável por gerá-la, mas identificar exatamente como isso acontece ainda é um desafio.
Em um trabalho recente, pesquisadores da UNESP e da Universidade Federal Fluminense (UFF) propõem que a solução para essa questão pode estar relacionada aos próprios mecanismos que levam ao confinamento dos quarks dentro de partículas maiores. O trabalho, intitulado “Study of the Emergence of a Gluon Mass Scale from Center Vortices Using a Wave-Functional Formalism”, foi publicado na revista científica Physical Review Letters, uma das mais prestigiadas do campo, e é o primeiro a oferecer uma possível comprovação teórica para a questão.
Os menores constituintes da matéria
Um dos princípios que norteiam a pesquisa em física é a busca por formular teorias simples e gerais que possam ser utilizadas para explicar o que vemos à nossa volta. Por isso, ao longo das últimas décadas, os experimentos e investigações teóricas têm sido aprimorados para que se possa identificar e descrever os menores componentes da matéria. Até o momento, os quarks e os glúons ocupam esse “posto”.
Na prática, funcionam como pequenas peças de Lego que, combinadas de diferentes formas, dão origem a partículas maiores. Por exemplo: um próton é formado por dois quarks do tipo up e um quark do tipo down, ligados por glúons. Um nêutron, por sua vez, é formado por dois quarks down e um quark up, também mantidos conectados por glúons. A palavra glúon, aliás, vem do inglês “glue”, que significa “cola”, e expressa sua função nesse esquema.
O enigma por trás dessas conexões é que, quando são conduzidas observações em escalas de distância muito pequenas, bem inferiores a 1 femtômetro (fm, uma unidade de comprimento equivalente a 10⁻⁶ nanômetro, ou 10⁻¹⁵ metros), os glúons não apresentam massa. Essa realidade muda, porém, por volta de 1 fm, que é a escala em que ocorre o efeito de “cola” entre os quarks.
“Existem simulações em supercomputadores que demonstram que, em distâncias da ordem do tamanho do próton, os glúons passam a ter massa”, explica Gastão Krein, pesquisador do Instituto de Física Teórica da UNESP (IFT) e do ICTP-SAIFR, centro internacional de física teórica associado ao IFT. “Quando analisamos como os glúons se propagam para estabelecer as conexões entre os quarks, vemos que há uma geração de massa. Isso indica que deve existir algum mecanismo responsável por fornecer essa massa a eles”, aponta.
A proposta de uma explicação para o fato de não vermos quarks “soltos” na natureza surgiu a partir do trabalho dos outros dois autores do artigo, David Rosa Jr., do IFT-UNESP, e Luiz E. Oxman, da UFF, em Niterói. Os autores sugeriram a existência de formações semelhantes a redemoinhos no vácuo, nos espaços entre as partículas elementares. Esses redemoinhos, que receberam o nome de vórtices de centro, seriam responsáveis por gerar uma atração entre as partículas, mantendo-as confinadas.
Redemoinhos no vácuo
Na física de partículas, ao contrário do senso comum, o vácuo não é espaço vazio. Para entendermos melhor esse conceito, é preciso imaginar como seria o mundo em escalas subatômicas. Os quarks e glúons estão distribuídos em uma determinada área, mantendo distâncias muito pequenas entre si. Por sua vez, esse espaço, que é onde está o vácuo, mais do que um ambiente vazio, se comporta como se fosse um fluido em movimento. “Na verdade, o vácuo não é uma coisa vazia. Ele possui “vida”, tem flutuações. Na teoria quântica de campos, o vácuo é cheio de coisas. É como se fosse um fluido que está em movimento constante”, explica Krein.
Um dos fenômenos que emergem nesse fluido são os vórtices de centro, muito semelhantes a redemoinhos. “Imagine um glúon querendo passar no meio do turbilhão dos vórtices. Ele começa a ser impedido em sua trajetória, como se experimentasse alguma fricção com esse meio. Isso faz com que o glúon fique pesado e adquira massa”, diz o físico. Porém, nos casos que envolvem distâncias muito pequenas, os glúons não chegam a se deparar com os vórtices nem sofrer interferência deles. Sendo assim, o glúon não possui massa. O cenário muda quando aumentamos um pouco a escala; nesse contexto, os glúons passam a se movimentar para manter os quarks colados uns nos outros e, nessa movimentação, acabam encontrando as interferências dos vórtices de centro.
Krein explica que esse é um comportamento característico das chamadas quasipartículas. Esse conceito permite caracterizar partículas que apresentam alguma propriedade quando isoladas (como a ausência de massa no caso dos glúons) e que experimentam mudanças nessa propriedade quando passam a interagir com o meio.
“É semelhante a um cavalo correndo em um campo de areia”, compara Krein. “Olhando de longe, você vai ver uma nuvem de poeira, não vai ver o cavalo. Então você tem um ‘quase-cavalo’, que é a nuvem de poeira acompanhando o cavalo. Isso é uma quasipartícula”, diz.
Quando um glúon se desloca de um ponto a outro, encontra pelo caminho uma série de flutuações e redemoinhos que dificultam sua travessia. Como resultado, surge um efeito semelhante ao da massa: seu movimento é desacelerado e ele passa a se comportar como se fosse uma partícula mais pesada. Na ausência de massa, o glúon poderia se propagar na velocidade da luz. Porém, é importante ressaltar que, neste momento, os cientistas não podem cravar se os glúons efetivamente adquirem massa ou se apenas se comportam como se tivessem massa. Daí o uso do termo “semelhante”.
Nesse cenário, a massa é importante porque limita o alcance da interação mediada pelos glúons. Ao se tornarem efetivamente massivos, sua propriedade de “cola” passa a ocorrer, o que, por sua vez, impede que os quarks se afastem livremente. Assim, quando esses constituintes tentam se separar, a ligação entre eles funciona como um “elástico” que os mantém confinados dentro de partículas como prótons e nêutrons.
A questão de um milhão de dólares
Em 24 de maio de 2000, o Instituto Clay de Matemática estabeleceu sete grandes problemas da matemática em aberto. O pesquisador que solucionar algum deles receberá como recompensa o valor de US$ 1 milhão. Um dos problemas tangencia o tema investigado por Krein e seus colaboradores, e seu nome é “A existência de Yang–Mills e o intervalo de massa (mass gap)”.
O problema pede uma demonstração matemática rigorosa de que as teorias de Yang–Mills, que são a base dos modelos fundamentais da física de partículas, são bem definidas e apresentam um intervalo de massa. Isso significa provar que, embora as equações fundamentais da teoria não incluam partículas massivas, as excitações físicas que surgem a partir delas possuem sempre uma massa mínima diferente de zero.
A dificuldade está no fato de que, na formulação da teoria, são atribuídas aos quarks massas muito pequenas, e os glúons simplesmente não possuem massa. Ainda assim, todas as partículas observadas até hoje, como prótons e nêutrons, apresentam massas relativamente grandes, que excedem o somatório das massas dos quarks que as compõem. Ou seja, existe uma diferença significativa nas massas (mass gap) quando se compara a massa prevista na teoria fundamental e a massa das partículas que aparecem nos experimentos. O desafio é explicar como essa massa surge a partir de uma teoria cujos constituintes básicos são praticamente sem massa.
“Entender como os glúons podem adquirir massa não resolve completamente o problema selecionado pelo Instituto Clay”, explica Krein. “Mas pode oferecer pistas importantes sobre os mecanismos que fazem essa massa emergir nas partículas maiores.”
Matéria: Malena Stariolo | Jornal da Unesp.