Massa de próton e nêutron surge do “nada”, confirmam cálculos

Nessa representação artística, trios de quarks formam o que podem ser prótons ou nêutrons. Cálculos com supercomputadores (parte de baixo da figura) verificaram que mais de 95% da massa de prótons e neutrons não vem da massa dos quarks, mas sim da energia de ligação entre eles. Prótons e nêutrons formam quase toda a massa visível do universo. Crédito: Forschungszentrum Jülich/Seitenplan

Crédito:

Após meses de cálculos em uma rede de supercomputadores capaz de mais de 200 trilhões de operações por segundo, um time de 12 pesquisadores europeus conseguiu pela primeira vez deduzir a partir da teoria do Modelo Padrão a massa das partículas que constituem o núcleo dos átomos.

Os resultados da orgia numérica foram publicados na edição de 21 de novembro, da revista Science.

“O quê? Só agora fizeram isso? E pra quê tanta conta assim?”, pode perguntar alguém que já ouviu falar que, de acordo com o Modelo Padrão–atualmente a melhor e mais completa teoria das partículas elementares, desenvolvida com base em um século de alternativas frustradas e verificações experimentais–os constituintes dos núcleos atômicos, prótons e nêutrons, são constituídos por sua vez de outras partículas, os quarks.

O próton é feito de três quarks: dois quarks do tipo up e um do tipo down. Já o nêutron é feito de dois quarks down e um up. É natural pensar que basta somar a massa dos quarks constituintes para saber a massa do próton e do nêutron. Não é tão simples assim, porém.

Em primeiro lugar, não existe na teoria do Modelo Padrão uma maneira de calcular o valor absoluto da massa dos quarks. As massas dos seis tipos conhecidos (up, down, strange, charm, top e bottom) precisam ser medidas em experiências, para ajustar a teoria à realidade. Acontece que quarks não existem isolados, mas sempre andam ligados em pares, chamados de mésons, ou em trios, chamados de bárions. Mésons e bárions são chamados coletivamente de hádrons (daí o nome do famoso LHC, Grande Colisor de Hádrons, em inglês).

As massas dos quarks, então, são deduzidas comparando entre si as massas dos vários hádrons que surgem durante as colisões nos aceleradores (todos os hádrons, exceto o próton e o nêutron, se desintegram em frações de segundo).

As últimas medidas das massas e de outras propriedades das partículas elementares são publicadas todo ano em uma espécie de “almanaque” em forma de livrinho, que alguns físicos costumam carregar no bolso da camisa. É o famoso Particle Physics Booklet, do Particle Data Group.

Consultando a edição 2008 do livrinho, lemos na página 21 que a massa do quark up deve estar entre 1,5 e 3,3 MeV/c2 e que a massa do down está entre 3,5 e 6,0 MeV/c2. Essa unidade esquisita de massa vem da célebre equação E = mc2, da onde se deduz que a massa de uma partícula é sua energia (medida em MeVs) dividida pelo quadrado da velocidade da luz no vácuo.

Agora, se somarmos as massas dos quarks constituintes do próton e do nêutron, o resultado é no máximo uns 15 MeV/c2. Na página 124 do livrinho, está a massa medida do próton: 938 MeV/c2. Na página 126, a massa do nêutron: 939 MeV/c2… Portanto, a massa dos quarks não chega a um pouquinho mais que 1% da massa total próton ou do nêutron!

A solução para esse mistério está justamente na equação E=mc2. A maioria da massa do próton e do nêutron vem da energia do movimento de seus quarks e da força de ligação entre eles. Foi para calcular essa energia que demorou tanto uma dedução acurada das massas a partir da teoria.

A força que segura os quarks em trios ou em pares é transmitida por partículas chamadas de glúons, que constantemente aparecem e desaparecem no vácuo e são absorvidas e emitidas pelos quarks, conforme as regras da parte do Modelo Padrão conhecida como Cromodinâmica Quântica (QCD, em inglês). Pelas regras da QCD, além dos glúons, aparecem e desparecem do vácuo a toda hora pares de quarks e anti-quarks, que, apesar de efêmeros, também contribuem para a energia total do hádron. Veja a figura abaixo, tirada daqui.

Representação artística de um par “efêmero” de quark/anti-quark strange surgindo dentro de um próton. Note os quarks permanentes do próton: up, up e down. As massas azul-verde-amarelo-vermelha em volta dos quarks representam a energia do campo de glúons. Essa imagem é verificada em laboratório, observando colisões de elétrons com o próton, representadas pela linha branca na figura. Crédito: Derek B. Leinweber 

Crédito: <a href= "http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/">Derek B. Leinweber</a>   

Calcular quantidades à partir das equações da QCD é praticamente impossível na ponta do lápis. A QCD funciona ao contrário da força eletromagnética entre átomos e moléculas interagindo em gases e líquidos, onde a maioria da energia vem da interação direta entre pares de partículas, uma parcela menor da energia vem de trios de partículas, uma parte menor ainda vem de grupos de quatro e assim por diante, o que permite aproximações que facilitam os cáculos. No caso da QCD, a intensidade da interação aumenta com a distância e todas as possiblidades de interação precisam ser levadas em conta nos cálculos. Esse “acoplamento forte” entre os quarks é o motivo pelo qual não existem quarks isolados e pelo qual é preciso o auxílio de computadores para os cálculos em QCD.

Faz uns vinte anos que os físicos usam uma técnica computacional chamada de lattice gauge theory, que aproxima o contínuo do espaço e do tempo por uma rede cubíca. Esses modelos só levavam em conta os glúons, deixando de lado os pares de quarks/antiquarks. Os valores para as massas dos hádrons calculados assim eram em média 10% diferentes dos valores reais.

Em 2003, uma colaboração internacional conseguiu calcular a massa de alguns mésons incluíndo o efeito dos pares quark/anti-quark, mas a técnica não era apropriada para calcular a massa de bárions leves, como o próton e o nêutron.

O que os pesquisadores fizeram agora foi encontrar pela primeira vez uma aproximação do tipo lattice gauge theory, capaz de incluir todos os ingredientes da QCD, de permitir a realização de cálculos sem sobrecarregar os supercomputadores e que além disso permite a análise das possíveis fontes de erros e incertezas nos resultados.

As aproximações deles não distingüem os quarks up e down e inclui os efeitos de pares de quark/anti-quarks do tipo strange (os demais quarks são muito mais pesados e não influem significativamente). Os valores medidos das massas dos bárions Ω (sss) e Ξ (uss ou dss) foram usados para “calibrar” a teoria, que não deriva valores absolutos de massa, apenas razões entre elas.

A massa obtida para um bárion feito de quarks u e d é em torno de 936 MeV/c2, o que não está longe da massa real do próton e do nêutron.

Os pesquisadores usaram o mesmo método para calcular a massa de mais sete bárions e quatro mésons, feitos de quarks u, d e s.

Os pesquisadores querem agora calcular outras propriedades dos hádrons além da massa. O objetivo a longo prazo é comparar com os experimentos todas as previsões da teoria da cromodinâmica quântica e descobrir o que ainda há de desconhecido no interior dos núcleos…

É curioso como podemos pelo Modelo Padrão determinar a massa de prótons e nêutrons ainda que a massa exata dos quarks up e down seja desconhecida, principalmente pelo fato de um quark isolado não existir no universo atual.

Mas nem sempre foi assim. Pouco após o Big Bang, o universo era um gás quente de quarks e glúons livres. O universo expandiu, esfriando e rapidamente os quarks e glúons ficaram confinados, formando os primeiros hádrons, que guardaram dentro si parte da energia do Big Bang. Chega a ser poética a idéia de que parte da energia do Big Bang é a origem do peso de nossos corpos…

Fontes consultadas:

Nature News

New Scientist

Phyisics World

Science

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Discussão - 11 comentários

  1. Bruno Martins disse:

    Certamente considerar as descobertas mais recentes como metafísica apenas para falsear as suposições em processo de comprovação, não serve de negação completa dos conhecimentos já determinados de física e suas subdivisões e os conhecimentos em desenvolvimento.
    Sei que faz quase uma década que os comentários mais antigos desse blog foram escritos, mas encontrei, infortunadamente, apenas hoje e queria deixar minhas considerações aos comentários com aparência meramente negadora:
    Estas suposições, relativamente novas, usam os recursos disponíveis até o momento. É de se esperar que não saibamos os detalhes do mundo quântico e o que vem depois dos limites alcançáveis pela humanidade, visto que os recursos disponíveis para a humanidade simplesmente não são suficientes, assim como há 500 anos tínhamos muitas limitações que foram extinguidas pelas, relativamente, novas tecnologias.
    Esses leigos que acham que o Big Bang foi uma explosão de um explosivo que criou carros, casas, árvores e tudo mais e que a evolução é igual a Pokemón estão se enganando porque não sabem de fato o que as teorias dizem e nem ao menos devem saber o que significa teoria no âmbito científico.

  2. Darcirio Cubines disse:

    Teorias,cálculos suposições, disque disque. Se você sabe como tudo surgiu, faça uma vidinha de um ser humano, animal ou vegetal do nada, ou melhor: só uma semente, sem usar o que já existe no universo e que ela germine.

  3. len disse:

    Desculpe pelo meu erro, pessoal, é que eu coloquei “massa do proton”, quando na verdade é “tamanho do proton”. Agora sim, tudo está correto.
    Adeus e mt grato pelo retorno …

  4. len disse:

    Galera, vcs ficaram sabendo de um experimento em julho de 2010 e usando como detalhe importante a massa do proton, que pode invalidar (ou não) a teoria da Eletrodinâmica Quântica, criada por ninguém mais nem menos do que pelo genial físico americana Richard Feynmann no século XX ???
    Vejam o link abaixo e confiram a minha novidade:
    http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tamanho-proton-eletrodinamica-quantica&id=010815100708
    Vlw e até mais …

  5. A fisica jamais explicará o ”mundo”.Apenas a nossa maneira de ver o ‘mundo’ pode ser explanada por meio da física.E afinal o homem o que é??diante dos mistérios intrísecos do universo.e quando descobrirmos os ultras versos,então precisaremos de outra ciência ou outras ciências desconhecidas da nossa imensurável ignorância.Se diante desse nosso universo somos apenas uma ínfima manifestão energética que se consome em uma brevissísima temporalidade irregistrável para termos astronômicos,que só tem um proto sentido em nossas já exíguas idéias de tempo.

  6. Jocax disse:

    Igor voce acha que a Fisica pode explicar o surgimento das LEIS DA FISICA?
    Claro que nao! o surgimento das leis da fisica nao podem ser explicadas pela ciencia atual pois ela nao tem leis para se basear. Tem que ser explicadas pela “CIENCIA EXPANDIDA!
    que pode entender o “Nada Jocaxiano”:
    Leia sobre a “Ciencia Expandida”:
    http://ssdi.di.fct.unl.pt/pc/0708/files/CiExp.html

  7. Junior Matos disse:

    Blz,interessante,sou eng,mecatronico e tenho grande interesse na fisica nuclear…abraços…

  8. J. R. MAHAJAN disse:

    Ola Igor:
    Entrei no seu site / blog, por acaso! Gostei do seu conhecimento e interesse em ciencia, especialmente, sobre o “porque e como?” do micro e macro cosmos.
    Tambem estou procurando sobre a origem da massa e da carga. Estou muito intrigado pela quase imortalidade do Eletron, como particula fundamental, e do Proton, composto de tres quarks. Em contraste, o Neutron, tambem composto de outra combinacao de tres quarks, ja vive somente ~1000s, contra quase eternidade (10 elevado 30 a 35 ANOS) do Proton!
    Gostaria de saber, se durante suas buscas voce ja achou alguma resposta ou ainda esta tatiando, como milhares de Fisicos Teoricos bem como Experimentais?
    Porque so Leptons, Quarks e suas anti-particulas constituem o Universo manifesto? E qual o segredo da sua estabilidade e a preferencia dos u e d quarks para constituir Materia e Anti Materia?
    Que aconteceu com as outras anti-particulas e a Anti Materia?
    A hipotese do Anti Universo nao me parece muito convincente, visto que os Fisicos ja isolaram o Anti Proton e empregam os feixes de eletron e positron,routineiramente, em estudos de Particulas Fundamentais, etc…
    Estou na procura de alguma Luz, sem queimar com o calor!
    Aguardo sua manifestacao pelo e-mail, visto que nao fico muito tempo no computador e sites.

  9. Edson Ferreira disse:

    Igor
    Entrei em seu site por acaso ao tentar descobrir o limite máximo para o tamanho de um buraco negro. Como você, sou um apaixonado por Ciências, embora tenha me formado em engenharia em 1980 (e feito 2 anos de Física).
    Comecei a dar umas clicadas no teu blog e o achei fascinante (como diria o Spock)e vou explorá-lo ao máximo.
    Como uma pequena contribuição, recomendo a leitura do Manual do Homeopata Mirim ( http://www6.ufrgs.br/favet/imunovet/debate-1.htm ), uma divertida análise da Homeopatia.
    Abraços e parabéns pelo blog!
    Edson

  10. Igor Z disse:

    Isso é pura metafísica. Não é ciência.
    Ailás, sua filosofia cientificista, o “genismo”, pode até ter sido inspirada em fatos científicos que agradaram seus gostos pessoais, mas de novo não é ciência.
    Não quero perder tempo discutindo abobrinha com vocês.

  11. Jocax disse:

    O que vcs acham da Origem do Universo a partir do nada-jocaxiano:
    “O “Nada Jocaxiano” (NJ) é o Nada absoluto desprovido não apenas de elementos físicos e de leis físicas mas também de regras de quaisquer tipos.[1]
    O “Nada Jocaxiano” é diferente do Nada que normalmente se pensa. O nada que normalmente se pensa, e que podemos chamar de “Nada Trivial”, para distingui-lo do NJ, é algo no qual dele nada pode acontecer, ou seja, “o Nada Trivial” segue uma regra :”Nada pode acontecer”. Dessa forma o “Nada Trivial”, o nada no qual as pessoas pensam ao falar num “nada”, não é o nada mais simples possível, ele possui uma regra….”
    Continuacao do texto em:
    http://www.genismo.com/logicatexto23.htm

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