Um experimento no maior acelerador de partículas do mundo revelou um fenômeno no núcleo atômico

Embora pareça uma contradição biológica e física, a maior parte da massa que compõe o corpo humano e tudo ao nosso redor tem origem em partículas fundamentais que não possuem massa própria. Trata-se dos glúons, elementos responsáveis pela mediação das forças que mantêm os blocos fundamentais da matéria unidos no interior dos átomos.

Recentemente, pesquisadores que atuam no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo administrado pelo CERN, encontraram fortes evidências de um comportamento peculiar e há muito previsto pela teoria: o fenômeno da saturação de glúons no interior de núcleos de chumbo pesados.

Como partículas sem massa geram a matéria ao nosso redor

Para compreender o alcance desse achado, é necessário observar a estrutura mais profunda da matéria. Prótons e nêutrons, que formam o núcleo atômico, são constituídos por partículas ainda menores conhecidas como quarks. A união entre esses quarks é mediada pela força nuclear forte, transmitida continuamente pelos glúons.

Apesar de os glúons possuírem massa de repouso nula, a imensa energia associada à sua movimentação e à dinâmica de confinamento dos quarks é convertida em massa efetiva. Como estabelecido pela famosa equação de Albert Einstein (E=mc²), energia e massa são equivalentes. Na prática, a massa intrínseca dos quarks responde por apenas uma fração minúscula do peso de um próton, sendo a energia dos glúons a verdadeira responsável pela quase totalidade da massa da matéria visível no universo.

Uso da luz para sondar o interior atômico

A investigação foi conduzida pela colaboração internacional ALICE e publicada no conceituado periódico científico Physical Review Letters. Para examinar o interior atômico com resolução sem precedentes, os cientistas utilizaram uma técnica que dispensa o choque frontal violento entre partículas: as chamadas colisões ultraperiféricas com núcleos de chumbo.

Ao passarem raspando uns pelos outros a velocidades extremamente próximas à da luz, os núcleos geram campos eletromagnéticos ultra-intensos que liberam fluxos de fótons de altíssima energia. Esses fótons atingem o núcleo vizinho e atuam como uma espécie de microscópio quântico, permitindo aos físicos registrar a produção incoerente de partículas chamadas J/ψ (J-psi), cuja formação é altamente sensível a variações e irregularidades na distribuição interna dos núcleos.

A equipe analisou um amplo volume de dados obtidos na segunda fase operacional do LHC, cobrindo diferentes patamares de energia e escalas subatômicas:

• Faixa de energia analisada: entre 20 e 633 gigaelétron-volts (GeV);
• Escalas espaciais investigadas: 0,6 femtômetros, 0,3 femtômetros e a incrível marca de 0,2 femtômetros;
• Parâmetro de comparação: um femtômetro equivale a apenas 1 quadrilionésimo de metro (10⁻¹⁵ m), permitindo examinar estruturas consideravelmente menores que o diâmetro de um único próton.

Saturação de glúons e comportamento coletivo

Ao atingirem a resolução mais fina, de 0,2 femtômetros, os cientistas detectaram uma redução acentuada e inesperada na taxa de produção das partículas J/ψ. Esse declínio não pôde ser explicado satisfatoriamente pelo modelo tradicional de sombreamento nuclear, que prevê apenas a sobreposição geométrica dos glúons.

Os dados apontam, em vez disso, para a ocorrência da saturação de glúons. Segundo a Cromodinâmica Quântica (teoria que rege as interações nucleares fortes), quando os glúons são comprimidos a densidades extremas, eles começam a se fundir e interagir entre si, impondo um limite natural à sua própria concentração. Em vez de atuarem individualmente, passam a manifestar um comportamento coletivo dinâmico, formando zonas de densidade hiperconcentrada descritas teoricamente como pontos quentes (ou hot spots).

A descoberta confirma definitivamente a teoria?

Embora a descoberta seja animadora, a comunidade científica adota cautela metodológica. O nível de significância estatística alcançado pelos dados do experimento ALICE aproxima-se de três desvios-padrão (ou 3 sigma). No rigoroso campo da física de altas energias, esse patamar é classificado como uma forte evidência experimental, mas ainda não atinge os cinco desvios-padrão (5 sigma) estritamente necessários para declarar uma descoberta irrefutável.

O resultado, contudo, é consistente com os princípios fundamentais da física contemporânea, validando hipóteses teóricas formuladas há décadas que aguardavam meios tecnológicos suficientemente precisos para serem testadas. Modelos simplificados da estrutura nuclear mostram-se agora insuficientes para descrever essas condições extremas.

Os próximos ciclos de colisão do LHC fornecerão dados estatísticos adicionais para refinar as conclusões. Paralelamente, o futuro Colisor Elétron-Íon (EIC), atualmente em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos, foi concebido com o propósito de mapear esse regime de alta densidade gluônica, pavimentando o caminho definitivo para desvendar a origem energética da massa de tudo o que existe.