O núcleo atômico é composto de prótons e nêutrons, partículas que existem por meio da interação de quarks ligados por glúons. Parece, portanto, que não deve ser difícil reproduzir todas as propriedades dos núcleos atômicos até então observadas em experimentos nucleares usando apenas quarks e glúons. No entanto, foi somente agora que uma equipe internacional de físicos conseguiu fazer isso.

Já faz quase um século desde a descoberta dos principais componentes dos núcleos atômicos: prótons e nêutrons. Inicialmente, as novas partículas eram consideradas indivisíveis. Na década de 1960, no entanto, houve uma sugestão de que, em energias suficientemente altas, prótons e nêutrons revelariam sua estrutura interna — a presença de quarks constantemente mantidos juntos por glúons.

Logo depois, a existência de quarks foi confirmada experimentalmente. Pode parecer surpreendente, portanto, que, apesar da passagem de muitas décadas, ninguém tenha conseguido reproduzir com modelos quark-gluon os resultados de experimentos nucleares em baixas energias, quando apenas prótons e nêutrons são visíveis em núcleos atômicos.

Esse impasse de longa data só foi quebrado agora, em um artigo publicado na Physical Review Letters . Seus principais autores são cientistas da colaboração internacional nCTEQ sobre distribuições de quarks e glúons.

"Até agora, houve duas descrições paralelas de núcleos atômicos, uma baseada em prótons e nêutrons que podemos ver em baixas energias, e outra, para altas energias, baseada em quarks e glúons. Em nosso trabalho, conseguimos reunir esses dois mundos até então separados", diz o Dr. Aleksander Kusina, um dos três teóricos da Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) que participam da pesquisa.

Por razões práticas, no entanto, eles não usam fótons eletricamente neutros, mas partículas elementares carregando uma carga, geralmente elétrons. Experimentos então mostram que quando elétrons têm energias relativamente baixas, núcleos atômicos se comportam como se fossem feitos de nucleons (ou seja, prótons e nêutrons), enquanto em altas energias, partons (ou seja, quarks e glúons) são "visíveis" dentro dos núcleos atômicos.

Os resultados da colisão de núcleos atômicos com elétrons foram reproduzidos muito bem usando modelos que assumem a existência de nucleons sozinhos para descrever colisões de baixa energia, e partons sozinhos para colisões de alta energia. No entanto, até agora essas duas descrições não puderam ser combinadas em uma imagem coerente.

Em seu trabalho, físicos do IFJ PAN usaram dados sobre colisões de alta energia, incluindo aqueles coletados no acelerador LHC no laboratório CERN em Genebra. O objetivo principal era estudar a estrutura partônica de núcleos atômicos em altas energias, atualmente descrita por funções de distribuição de partons (PDFs).

Essas funções são usadas para mapear como quarks e glúons são distribuídos dentro de prótons e nêutrons e por todo o núcleo atômico . Com funções PDF para o núcleo atômico, é possível determinar parâmetros mensuráveis experimentalmente, como a probabilidade de uma partícula específica ser criada em uma colisão de elétron ou próton com o núcleo.

Do ponto de vista teórico, a essência da inovação proposta neste artigo foi a extensão habilidosa das funções de distribuição de pártons, inspiradas nos modelos nucleares usados para descrever colisões de baixa energia, onde prótons e nêutrons eram considerados combinados em pares de núcleons fortemente interativos: próton-nêutron, próton-próton e nêutron-nêutron.

A nova abordagem permitiu aos pesquisadores determinar, para os 18 núcleos atômicos estudados, funções de distribuição de pártons em núcleos atômicos, distribuições de pártons em pares de nêutrons correlacionados e até mesmo o número de tais pares correlacionados.

Os resultados confirmaram a observação conhecida de experimentos de baixa energia de que a maioria dos pares correlacionados são pares próton -nêutron (este resultado é particularmente interessante para núcleos pesados, por exemplo, ouro ou chumbo). Outra vantagem da abordagem proposta neste artigo é que ela fornece uma melhor descrição dos dados experimentais do que os métodos tradicionais usados para determinar distribuições de partons em núcleos atômicos.

"Em nosso modelo, fizemos melhorias para simular o fenômeno de pareamento de certos núcleons. Isso porque reconhecemos que esse efeito também poderia ser relevante no nível de parton. Curiosamente, isso permitiu uma simplificação conceitual da descrição teórica, o que deve, no futuro, nos permitir estudar distribuições de partons para núcleos atômicos individuais com mais precisão", explica o Dr. Kusina.

O acordo entre previsões teóricas e dados experimentais significa que, usando o modelo parton e dados da região de alta energia, foi possível pela primeira vez reproduzir o comportamento de núcleos atômicos até agora explicados somente pela descrição nucleônica e dados de colisões de baixa energia. Os resultados dos estudos descritos abrem novas perspectivas para uma melhor compreensão da estrutura do núcleo atômico, unificando seus aspectos de alta e baixa energia.