Em meados do século 20, os cientistas descobriram que os prótons têm a capacidade de ressoar, como as vibrações de um relógio. Nas três décadas seguintes, as imagens tridimensionais do próton continuaram a avançar e uma compreensão mais profunda da estrutura do próton em seu estado fundamental foi obtida. No entanto, a compreensão da estrutura tridimensional dos prótons ressonantes ainda é limitada.
Um experimento recente conduzido no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA investiga a estrutura tridimensional das ressonâncias de prótons e nêutrons. Esta pesquisa fornece outra peça do quebra-cabeça para a imagem do universo onde o caos surgiu pela primeira vez após o Big Bang.
O estudo das propriedades básicas e do comportamento dos núcleons fornece pistas importantes para a nossa compreensão dos blocos básicos de construção da matéria. Núcleons são os prótons e nêutrons que constituem o núcleo de um átomo. Cada núcleon é composto por três quarks, mantidos juntos por glúons sob forte interação - a força mais forte da natureza.
O estado mais estável e de menor energia de um núcleo é chamado de estado fundamental. Mas quando um núcleon é excitado à força para um estado de alta energia, os seus quarks rodam e vibram uns com os outros, exibindo o que é chamado de ressonância do núcleo.
Uma equipe de físicos da Universidade Justus Liebig (JLU) em Giessen, Alemanha, e da Universidade de Connecticut, liderando a colaboração CLAS, conduziu um experimento para explorar essas ressonâncias de núcleons. Os experimentos foram conduzidos no Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) de classe mundial do Jefferson Laboratory. O CEBAF é uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia que apoia a pesquisa de mais de 1.800 físicos nucleares em todo o mundo. Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente na prestigiosa revista Physical Review Letters.
Stefan Diehl, líder da equipe de análise, disse que o trabalho da equipe revelou as propriedades fundamentais da ressonância nuclear. Diehl é pesquisador de pós-doutorado e líder de projeto no Instituto de Física II da Union University of Giessen e professor pesquisador na Universidade de Connecticut. Este trabalho também estimula novas pesquisas sobre a estrutura tridimensional e os processos de excitação de prótons ressonantes.
“Esta é a primeira vez que fazemos medições e observações sensíveis às características tridimensionais deste estado excitado”, disse Diehl. “Em princípio, isto é apenas o começo, e este tipo de medição está a abrir um novo campo de investigação”.
O experimento foi conduzido no Salão Experimental B em 2018-2019, utilizando o detector CLAS12 do Laboratório Jefferson. Um feixe de elétrons de alta energia é alimentado em uma câmara de gás hidrogênio resfriado. O elétron atinge o próton do alvo, excitando os quarks dentro dele e combinando-se com estados quark-antiquark (os chamados mésons) para criar uma ressonância nuclear.
Tais excitações são passageiras, mas deixam evidências de sua existência na forma de novas partículas que são criadas pela fissão energética das partículas excitadas. Estas novas partículas são suficientemente longas para que os detectores as capturem, para que a equipa possa reconstruir as ressonâncias.
Diehl et al. discutiram recentemente seus resultados no workshop conjunto "Explorando Estruturas Ressonantes com GPDs Transicionais" em Trento, Itália. Esta pesquisa inspirou dois grupos teóricos a publicar artigos relacionados.
A equipe também planeja realizar experimentos adicionais no Jefferson Lab usando diferentes alvos e polarizações. Por espalhamento de elétrons a partir de prótons polarizados, eles podem obter diferentes características do processo de espalhamento. Além disso, o estudo de processos semelhantes, como a combinação de fótons de alta energia para criar ressonâncias, também pode fornecer informações mais importantes.
Diehl disse que através destas experiências, os físicos podem descobrir as características do universo primitivo após o Big Bang: "No início, o universo primitivo só tinha algum plasma composto por quarks e gluões, e estes plasmas giravam porque a energia era demasiado elevada. Então, a certa altura, a matéria começou a formar-se, e os primeiros a formar-se foram estados de nucleões excitados. Quando o universo se expandiu ainda mais, arrefeceu e os núcleons do estado fundamental surgiram."
"Através destes estudos, podemos compreender as características destas ressonâncias. Isto dir-nos-á como a matéria no universo se formou e porque é que o universo existe na forma que existe."