Físicos finalmente descobriram de onde vem a massa do próton

Apenas 9% do volume da partícula subatômica vem da massa de seus quarks.

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A massa de um próton é mais do que apenas a soma de suas partes. E agora os cientistas sabem exatamente o que explica o peso dessa partícula subatômica.

Os prótons são compostos de partículas ainda menores chamadas quarks, então você pode esperar que simplesmente adicionar as massas dos quarks deve dar a massa do próton. No entanto, essa soma é muito pequena para explicar o volume do próton. E novos cálculos detalhados mostram que apenas 9% do peso do próton vem da massa de quarks constituintes. O restante da massa do próton vem de efeitos complicados que ocorrem dentro da partícula, relataram os pesquisadores na Physical Review Letters .

Os quarks obtêm suas massas de um processo conectado ao bóson de Higgs, uma partícula elementar detectada pela primeira vez em 2012. Mas “as massas de quarks são pequenas”, diz o coautor do estudo e físico teórico Keh-Fei Liu, da Universidade de Kentucky, em Lexington. Assim, para prótons, a explicação de Higgs é insuficiente.

Em vez disso, a maioria dos 938 milhões de elétron-volts de massa do próton é devido às complexidades da cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que explica a agitação de partículas dentro do próton. Fazer cálculos com a QCD é extremamente difícil, então, para estudar teoricamente as propriedades dos prótons, os cientistas confiam em uma técnica chamada QCD, na qual espaço e tempo são divididos em uma grade, na qual residem os quarks.

Usando essa técnica, os físicos calcularam previamente a massa do próton. Mas os cientistas não dividiram de onde vem essa massa até agora, diz o físico teórico André Walker-Loud, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia. “É emocionante porque é um sinal de que… realmente atingimos essa nova era”, na qual a QCD pode ser usada para entender melhor a física nuclear.

Além dos 9% da massa de prótons que vem do peso dos quarks, 32% vêm da energia dos quarks que circulam dentro do próton, descobriram Liu e seus colegas. (Isso porque energia e massa são dois lados da mesma moeda, graças à famosa equação de Einstein, E = mc2) Outros ocupantes do próton, partículas sem massa chamadas glúons que ajudam a manter os quarks juntos, contribuem com outros 36% através de sua energia.

Os 23% restantes surgem devido a efeitos quânticos que ocorrem quando quarks e glúons interagem de maneira complicada dentro do próton. Essas interações fazem com que a QCD ignore um princípio chamado invariância de escala. Em teorias de invariantes de escala, o alongamento ou o encolhimento do espaço e do tempo não faz diferença para os resultados das teorias. Partículas maciças fornecem a teoria com uma escala, então quando a QCD desafia a invariância de escala, os prótons também ganham massa.

Os resultados do estudo não são surpreendentes, diz o físico teórico Andreas Kronfeld, do Fermilab, em Batavia, Illinois. Os cientistas há muito suspeitam que a massa do próton foi formada dessa maneira. Mas, diz ele, “esse tipo de cálculo substitui uma crença pelo conhecimento científico”. [ScienceNews]

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