Nova evidência apoia teoria antiga sobre a junção bariónica dos protões

O Universo assemelha-se à água que desce uma encosta, e isto não é um mantra espiritualista de estilo Nova Era.

As partículas e os sistemas tendem espontaneamente para estados de menor energia, o que inclui o decaimento de partículas pesadas em partículas mais leves.

Os protões encontram-se no fundo desta encosta. São o barião mais leve - uma partícula subatómica composta por quarks - e nunca foi observado o decaimento de um protão.

Agora, porém, investigadores encontraram indícios de que uma das características definidoras do protão poderá funcionar de forma diferente da que se supunha. Isto pode ajudar a esclarecer um enigma antigo sobre aquilo que, afinal, mantém a matéria unida no Universo.

A aparente estabilidade do protão está ligada à conservação do número bariónico, que contribui para distinguir a matéria da antimatéria.

Número bariónico e a estrutura dos protões

Convencionalmente, assume-se que o número bariónico é transportado pelos três quarks de valência que constituem os bariões, como os protões e os neutrões.

Contudo, após décadas de incerteza, um novo estudo decisivo baseado em colisões de partículas de alta energia forneceu algumas das evidências experimentais mais fortes até agora contra esta imagem simples dos quarks de valência.

Publicado na Science, o estudo apoia a hipótese de que o número bariónico é, na realidade, transportado pela «junção bariónica» em forma de Y da partícula. Esta estrutura é formada por gluões sem massa que funcionam como cola, mantendo os bariões unidos.

Uma ilustração de um protão, com os três quarks de valência e os gluões que os unem. (Laboratório Nacional de Argonne)

Embora esta ideia tenha sido proposta na década de 1970, os físicos não conseguiram testar devidamente estas duas teorias concorrentes - até agora. O resultado lança luz sobre uma questão fundamental:

«As três extremidades da junção bariónica estão ligadas a quarks de valência, tornando impossível distinguir, para a maioria dos processos físicos, se é a junção ou se são os quarks de valência que transportam o número bariónico», escrevem os investigadores.

«Por esta razão, nenhum dos cenários foi verificado experimentalmente de forma inequívoca.»

Uma representação de duas ideias concorrentes sobre onde é transportado o número bariónico de uma partícula. (Colaboração STAR, Science, 2026)

Como acontece frequentemente perante os mistérios da física de partículas, a melhor forma de os investigar poderá ser fazer colidir partículas umas com as outras a velocidades próximas da luz.

Colisões no RHIC testam a junção bariónica

Por isso, uma vasta equipa de investigação, denominada Colaboração STAR, analisou resultados de vários tipos de colisões produzidos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), o acelerador e colisionador de partículas, entretanto desativado, do Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova Iorque.

A equipa examinou resultados de colisões fotonucleares e de colisões nucleares isobáricas, comparando depois esses dados com vários modelos computacionais que simulam colisões de partículas de alta energia.

As colisões nucleares isobáricas consistem em colidir dois núcleos com o mesmo número de massa e medir, em diferentes espécies de núcleos, o número líquido de bariões transportados em relação à carga elétrica líquida. Neste caso, foram usados núcleos de átomos de ruténio e de zircónio em colisão.

Este método deveria produzir uma assinatura específica: sabe-se que os quarks de valência transportam carga elétrica, ao passo que a junção não transporta qualquer carga elétrica.

Os investigadores verificaram que os bariões atravessam a zona de colisão densa e energética por uma distância superior à percorrida pela carga elétrica. Isto sugere que o número bariónico é transportado pela junção, que não é travada tanto como os quarks de valência eletricamente carregados.

Já as colisões fotonucleares investigam as interações entre fotões - partículas de luz - e núcleos de átomos de ouro, quando passam perto uns dos outros a velocidades relativistas.

A estas velocidades extremas, os núcleos de ouro, que têm carga positiva, geram um campo eletromagnético ou, essencialmente, um fotão virtual «quase-real».

«Assim, quando os iões se deslocam perto da velocidade da luz, há um conjunto de fotões à volta do núcleo de ouro, que viajam com ele como uma nuvem», explica Zhangbu Xu, físico da Universidade Estatal de Kent e membro da Colaboração STAR, num artigo anterior.

Esses fotões improvisados colidem então com os núcleos de ouro, proporcionando uma observação «limpa» do transporte do número bariónico: todos os bariões detetados nos «detritos» resultantes têm de estar associados aos núcleos de ouro.

Por outras palavras, como o fotão incidente tem número bariónico zero, qualquer número bariónico líquido medido após a interação terá necessariamente origem, em última análise, no núcleo de ouro.

Tal como nos ensaios com isóbaros, este resultado parece concordar com as previsões da teoria de Regge, que incorpora uma junção bariónica de forma mais adequada do que as simulações baseadas em quarks de valência.

Possíveis resultados experimentais de diferentes interações, consoante um barião transporte o seu número bariónico nos quarks de valência ou na junção bariónica. (Colaboração STAR, Science, 2026)

«Estes resultados, apoiados por dados anteriormente comunicados pela STAR sobre colisões Au+Au com uma variedade de energias de feixe, desfavorecem a hipótese dos quarks de valência», escrevem os investigadores.

O que os resultados podem revelar sobre matéria e antimatéria

Num comentário de Science que acompanha o estudo, o físico Wenliang Li, da Universidade Estatal do Mississippi, salienta que, embora as novas medições indiquem que os gluões podem contribuir para o transporte do número bariónico, não constituem uma medição direta e rigorosamente controlada do mecanismo subjacente.

Com mais investigação, este trabalho poderá vir a ajudar os físicos a compreender o desequilíbrio entre matéria e antimatéria que tornou possível o Universo tal como o observamos hoje - um dos maiores mistérios cósmicos.

«Determinar se são os quarks ou o campo de gluões que transportam o número bariónico pode contribuir para compreender de que modo a interação forte entre partículas subatómicas organiza a matéria estável e o que provoca o desequilíbrio entre a matéria e a antimatéria no Universo», escreve Li.

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O futuro reserva mais colisões de átomos, incluindo no futuro e potente Electron-Ion Collider do Laboratório Nacional de Brookhaven.

«Justificam-se investigações adicionais sobre teorias existentes e alternativas; para serem viáveis, essas teorias têm de explicar simultaneamente todos os fenómenos observados», concluem os investigadores.

«E, até agora, só o enquadramento da junção bariónica continua a ser qualitativamente consistente.»

Esta investigação foi publicada na Science.

Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Rebecca Dyer. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, avise-nos.