Prótons e nêutrons: aglomerando-se dentro da matéria

No centro de cada átomo está um núcleo, uma pequena coleção de partículas chamadas prótons e nêutrons. Neste artigo, estudaremos a natureza de prótons e nêutrons, consistindo de partículas ainda menores em tamanho - quarks, glúons e antiquarks. (Os glúons, como os fótons, são antipartículas por si só). Quarks e glúons, até onde sabemos, podem ser verdadeiramente elementares (indivisíveis e não consistindo em algo menor em tamanho). Mas para eles mais tarde.

Surpreendentemente, a massa de prótons e nêutrons é quase a mesma - até uma porcentagem:

• 0,93827 GeV / s ² no próton,
• 0,93957 GeV / s ² no nêutron.

Essa é a chave da natureza deles - eles são realmente muito parecidos. Sim, há uma diferença óbvia entre eles: o próton tem uma carga elétrica positiva e o nêutron não tem carga (é neutro, daí o nome). Consequentemente, as forças elétricas agem no primeiro, mas não no segundo. À primeira vista, essa diferença parece muito importante! Mas, na realidade, não é assim. Em todos os outros sentidos, um próton com nêutrons é quase gêmeo. Eles são idênticos não apenas às massas, mas também à estrutura interna.

Por serem muito semelhantes, e como os núcleos são compostos dessas partículas, prótons e nêutrons são freqüentemente chamados de núcleons.

Os prótons foram identificados e descritos por volta de 1920 (embora tenham sido descobertos anteriormente; o núcleo de um átomo de hidrogênio é apenas um próton separado) e os nêutrons foram encontrados em algum lugar em 1933. O fato de prótons e nêutrons serem tão parecidos entre si, eles entenderam quase imediatamente. Mas eles não sabiam que tinham um tamanho mensurável comparável ao tamanho do núcleo (cerca de 100.000 vezes menor que o átomo no raio) até 1954. O fato de consistirem em quarks, antiquarks e glúons foi gradualmente compreendido entre meados da década de 1960 e meados da década de 1970. No final dos anos 70 e início dos anos 80, nossa compreensão dos prótons, nêutrons e do que eles consistem se estabeleceu em grande parte e permaneceu inalterada desde então.

Núcleos são muito mais difíceis de descrever do que átomos ou núcleos. Para não dizer que os átomos são basicamente simples , mas pelo menos você pode dizer sem hesitação que um átomo de hélio consiste em dois elétrons que estão em órbita ao redor de um pequeno núcleo de hélio; e o núcleo de hélio é um grupo bastante simples de dois nêutrons e dois prótons. Mas com núcleons, nem tudo é tão simples. Eu já escrevi no artigo “ O que é um próton e o que há dentro dele? ” Que o átomo se parece com um minueto elegante e o núcleo com uma festa selvagem.

A complexidade do próton e do nêutron, aparentemente, é muito ambiciosa e não decorre de conhecimento físico incompleto. Temos equações usadas para descrever quarks, antiquarks e glúons, bem como as fortes interações nucleares que ocorrem entre eles. Essas equações são chamadas QCD, da " cromodinâmica quântica ". A precisão das equações pode ser verificada de várias maneiras, incluindo a medição do número de partículas que aparecem no Large Hadron Collider. Substituindo as equações QCD em um computador e iniciando os cálculos das propriedades de prótons e nêutrons e outras partículas semelhantes (com o nome geral de "hádrons"), obtemos previsões das propriedades dessas partículas, muito próximas às observações feitas no mundo real. Portanto, temos razões para acreditar que as equações do QCD não mentem e que nosso conhecimento do próton e do nêutron se baseia nas equações corretas. Mas apenas ter as equações corretas não é suficiente, porque:

• Equações simples podem ter soluções muito complexas,
• Às vezes é impossível descrever soluções complexas de uma maneira simples.

Até onde sabemos, é o caso dos núcleons: são soluções complexas para equações simples de QCD, e não é possível descrevê-las com algumas palavras ou figuras.

Devido à complexidade interna dos núcleons, você, leitor, terá que fazer uma escolha: quanto deseja aprender sobre a complexidade descrita? Não importa o quão longe você vá, provavelmente não lhe trará satisfação: quanto mais você aprender, mais claro será o tópico, mas a resposta final permanecerá a mesma - o próton e o nêutron são muito complexos. Posso oferecer três níveis de entendimento, com um aumento nos detalhes; você pode parar após qualquer nível e alternar para outros tópicos ou mergulhar até o último. Com relação a cada nível, surgem perguntas, as respostas que eu posso dar parcialmente no próximo, mas novas respostas levantam novas perguntas. No final - como faço em discussões profissionais com colegas e estudantes avançados - só posso remeter para os dados obtidos em experimentos reais, para vários argumentos teóricos influentes e simulações em computador.

Primeiro nível de entendimento

De que são feitos os prótons e nêutrons?


Fig. 1: uma versão simplificada demais de prótons consistindo em apenas dois quarks superiores e um quark inferior e nêutrons consistindo em apenas dois quarks inferiores e um superior

Para simplificar o assunto, muitos livros, artigos e sites indicam que os prótons consistem em três quarks (dois superiores e um inferior) e desenham algo como arroz. 1. O nêutron é o mesmo, consistindo apenas de um quarks superior e dois inferiores. Essa imagem simples ilustra o que alguns estudiosos acreditavam, principalmente na década de 1960. Mas logo ficou claro que esse ponto de vista era simplificado demais a tal ponto que não estava mais correto.

A partir de fontes de informação mais sofisticadas, você aprenderá que os prótons consistem em três quarks (dois superiores e um inferior) mantidos juntos por glúons - e uma imagem semelhante à Fig. 2 pode aparecer lá. 2, onde os glúons são desenhados sob a forma de molas ou fios contendo quarks. Os nêutrons são os mesmos, com apenas um quark superior e dois inferiores.


Fig. 2: melhoria da fig. 1 devido à ênfase no importante papel da forte interação nuclear que mantém quarks em um próton

Essa não é uma maneira tão ruim de descrever os nucleons, pois enfatiza o importante papel da interação nuclear forte, que mantém quarks em um próton devido aos glúons (exatamente como um fóton, uma partícula da qual a luz é produzida) está conectada à interação eletromagnética. Mas isso também é confuso, porque realmente não explica o que são e o que eles fazem.

Existem razões para seguir em frente e descrever as coisas como eu fiz em outros artigos : um próton consiste em três quarks (dois superiores e um inferior), montes de glúons e montanhas de pares quark-antiquark (principalmente estes são quarks superiores e inferiores, mas existem vários estranho). Todos voam para frente e para trás a uma velocidade muito alta (aproximando-se da velocidade da luz); todo esse conjunto é mantido por forte interação nuclear. Eu demonstrei isso na fig. 3. Os nêutrons são novamente os mesmos, mas com um quarks superior e dois inferiores; o quark afiliado é indicado por uma seta.


Fig. 3: uma imagem mais realista, embora ainda imperfeita, de prótons e nêutrons

Esses quarks, antiquarques e glúons não apenas se movem descontroladamente, mas também colidem entre si e se transformam através de processos como aniquilação de partículas (em que um quark e um antiquark do mesmo tipo se transformam em dois glúons, ou vice-versa) ou absorção e emissão de glúons (em que um quark e um glúon podem colidir e gerar um quark e dois glúons, ou vice-versa).

O que essas três descrições têm em comum:

• Os dois quarks superiores e o quark inferior (além de outra coisa) têm um próton.
• Um quark superior e dois quarks inferiores (mais alguma outra coisa) têm um nêutron.
• "Outra coisa" para nêutrons coincide com "outra coisa" para prótons. Ou seja, os núcleons “têm outra coisa” da mesma forma.
• Uma pequena diferença de massa entre o próton e o nêutron aparece devido à diferença de massa entre o quark inferior e o quark superior.

E desde:

• nos quarks superiores, a carga elétrica é 2/3 e (onde e é a carga do próton, -e é a carga do elétron),
• nos quarks inferiores, a cobrança é -1 / 3e,
• glúons têm uma carga de 0,
• qualquer quark e seu antiquark correspondente têm uma carga total de 0 (por exemplo, o quark anti-baixo possui uma carga de + 1 / 3e, de modo que a carga do quark inferior e do antiquark inferior é –1/3 e +1/3 e = 0),

Cada figura relaciona a carga elétrica de um próton à conta dos dois quark superior e um inferior, e “outra coisa” aumenta a carga 0. Da mesma forma, o nêutron tem carga zero devido a um quarks superior e dois inferiores:

• a carga elétrica total do próton é 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
• a carga elétrica total do nêutron é 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.

Essas descrições diferem no seguinte:

• quanto "algo mais" dentro do núcleo,
• o que esta fazendo ai
• de onde vêm a massa e a energia da massa (E = mc ² , a energia presente ali, mesmo quando a partícula está em repouso).

Como a maior parte da massa de um átomo e, portanto, de toda a matéria comum, está contida em prótons e nêutrons, o último ponto é extremamente importante para o correto entendimento de nossa natureza.

Fig. 1 indica que os quarks, de fato, representam um terço do núcleo - aproximadamente da mesma maneira que um próton ou nêutron representa um quarto do núcleo de hélio ou 1/12 do núcleo de carbono. Se esse padrão fosse verdadeiro, os quarks no nucleon se moveriam relativamente lentamente (com velocidades muito menores que a luz) com interações relativamente fracas agindo entre eles (embora com alguma força poderosa mantendo-os no lugar). A massa do quark, superior e inferior, seria da ordem de 0,3 GeV / s2, cerca de um terço da massa do próton. Mas essa imagem simples e as idéias impostas a elas são simplesmente incorretas.

Fig. 3. dá uma idéia completamente diferente de um próton como uma caldeira de partículas que correm nele a velocidades próximas da luz. Essas partículas colidem umas com as outras e, nessas colisões, algumas se aniquilam, enquanto outras são criadas em seu lugar. Os glúons não têm massa, as massas dos quarks superiores são da ordem de 0,004 GeV / s ² e as inferiores da ordem de 0,008 GeV / s ² são centenas de vezes menores que o próton. De onde vem a energia da massa de prótons é uma questão complexa: parte dela vem da energia de massa de quarks e antiquarks, parte da energia do movimento de quarks, antiquarks e gluons e parte (possivelmente positiva, possivelmente negativa) da energia armazenada em forte interação nuclear, mantendo quarks, antiquarks e gluons juntos.

De certo modo, a fig. 2 tenta eliminar a diferença entre a fig. 1 e fig. 3. Simplifica a fig. 3, a remoção de muitos pares de quarks-antiquark, que, em princípio, podem ser chamados de efêmeros, uma vez que surgem e desaparecem constantemente e não são necessários. Mas dá a impressão de que os glúons nos núcleons são uma parte direta da forte interação nuclear que mantém os prótons. E ela não explica de onde vem a massa do próton.

Na fig. 1 existe outra desvantagem, exceto pelas estruturas estreitas do próton e do nêutron. Ele não explica algumas das propriedades de outros hádrons, por exemplo, pion e p-meson . Arroz tem os mesmos problemas. 2)

Essas restrições levaram ao fato de que meus alunos e meu site dão uma foto com arroz. 3. Mas quero advertir que ela também tem muitas restrições, as quais considerarei mais adiante.

Vale a pena notar que a extrema complexidade da estrutura, a fig. Implícita. 3, seria de esperar de um objeto que é mantido unido por uma força tão poderosa quanto a forte interação nuclear. E mais uma coisa: três quarks (dois superiores e um inferior no próton), que não fazem parte do grupo de pares de quarks antiquark, são freqüentemente chamados de "quarks de valência", e pares de quarks antiquark são freqüentemente chamados de "mar de pares quark". Essa linguagem é tecnicamente conveniente em muitos casos. Mas dá a falsa impressão de que, se você pudesse olhar para dentro do próton e observar um determinado quark, poderia dizer imediatamente se faz parte do mar ou da valência. Isso não pode ser feito, simplesmente não existe.

Massa de prótons e massa de nêutrons

Como as massas do próton e do nêutron são muito semelhantes, e como o próton e o nêutron diferem apenas na substituição do quark superior pelo mais baixo, parece provável que suas massas sejam fornecidas da mesma maneira, venham da mesma fonte e sua diferença está em uma ligeira diferença entre os quarks superior e inferior . Mas as três figuras mostradas indicam a presença de três visões muito diferentes sobre a origem da massa de prótons.

Fig. 1 indica que os quarks superiores e inferiores compõem apenas 1/3 da massa do próton e nêutron: da ordem de 0,313 GeV / s ² , ou devido à energia necessária para manter os quarks no próton. E como a diferença entre as massas do próton e do nêutron é uma fração de um por cento, a diferença entre as massas dos quarks superior e inferior também deve ser uma fração de um por cento.

Fig. 2 é menos claro. Que parte da massa de prótons é devido aos glúons? Mas, em princípio, decorre da figura que a maior parte da massa de prótons ainda provém da massa de quarks, como na Fig. 1

Fig. 3 reflete uma abordagem mais sutil de como a massa de prótons realmente aparece (como podemos verificar diretamente através de cálculos computacionais do próton, e não diretamente usando outros métodos matemáticos). É muito diferente das idéias apresentadas na Fig. 1 e 2, e acaba não sendo tão simples.

Para entender como isso funciona, é preciso pensar não em termos da massa de prótons m, mas em termos de sua energia de massa E = mc ² , a energia associada à massa. A pergunta conceitualmente correta não é “de onde veio a massa de prótons m”, após a qual você pode calcular E multiplicando m por c ² , mas vice-versa: “de onde vem a energia da massa de prótons E”, após o qual é possível calcular a massa m, dividindo E por c ² .

É útil classificar as contribuições para a energia da massa de prótons em três grupos:

A) A energia da massa (energia de repouso) dos quarks e antiquarks nele contidos (glúons, partículas sem massa, não dá nenhuma contribuição).
B) A energia do movimento (energia cinética) de quarks, antiquarks e glúons.
C) A energia de interação (energia de ligação ou energia potencial) armazenada em uma forte interação nuclear (mais precisamente, nos campos de glúons) que contém o próton.

Fig. 3 indica que as partículas dentro do próton se movem em alta velocidade e que estão cheias de glúons sem massa; portanto, a contribuição de B) é maior que A). Geralmente, na maioria dos sistemas físicos, B) e C) são comparáveis, enquanto C) geralmente é negativo. Portanto, a energia de massa do próton (e nêutron) é obtida principalmente a partir de uma combinação de B) e C) e A) contribui com uma pequena fração. Portanto, as massas do próton e do nêutron aparecem principalmente não por causa das massas das partículas contidas neles, mas por causa das energias de movimento dessas partículas e da energia de sua interação associada aos campos de glúons que geram as forças que mantêm o próton. Na maioria dos outros sistemas que conhecemos, o balanço energético é distribuído de maneira diferente. Por exemplo, nos átomos e no sistema solar A) domina, e B) e C) são muito menores e têm magnitude comparável.

Em resumo, indicamos que:

• Fig. 1 sugere que a energia da massa de prótons vem da contribuição de A).
• Fig. 2 assume que ambas as contribuições A) e B) são importantes e B) faz um pouco de sua parte.
• Fig. 3 sugere que B) e C) são importantes e a contribuição de A) é insignificante.

Sabemos que a fig. 3. Para verificar isso, podemos realizar simulações em computador e, mais importante, graças a vários argumentos teóricos convincentes, sabemos que se as massas dos quarks superiores e inferiores fossem zero (e tudo o mais permanecesse como estava), a massa do próton praticamente não mudaria. Então, aparentemente, as massas de quarks não podem dar contribuições importantes para a massa do próton.

Se foto. 3 não mente, as massas do quark e do antiquark são muito pequenas. Como eles realmente são? A massa do quark superior (assim como do antiquark) não excede 0,005 GeV / s ² , que é muito menor que 0,313 GeV / s ² , que segue da Fig. 1. (A massa do quark superior é difícil de medir e esse valor muda devido a efeitos sutis, de modo que pode ser muito menor que 0,005 GeV / s ² ). A massa do quark inferior é aproximadamente 0,004 GeV / s ^{2 a} mais que a massa do quark superior. Isso significa que a massa de qualquer quark ou antiquark não excede um por cento da massa do próton.

Observe que isso significa (ao contrário da Fig. 1) que a razão da massa do quark inferior para o superior não se aproxima da unidade! A massa do quark inferior é pelo menos duas vezes a massa do superior. A razão pela qual as massas de nêutrons e prótons são tão semelhantes não é porque as massas dos quarks superior e inferior são semelhantes, mas porque as massas dos quarks superior e inferior são muito pequenas - e a diferença entre elas é pequena, em relação às massas do próton e nêutron. Lembre-se de que, para converter um próton em nêutron, você só precisa substituir um de seus quarks superiores pelo inferior (Fig. 3). Essa substituição é suficiente para tornar o nêutron um pouco mais pesado que o próton e alterar sua carga de + e para 0.

A propósito, o fato de várias partículas dentro de um próton colidirem umas com as outras e constantemente aparecerem e desaparecerem não afeta as coisas que estamos discutindo - a energia é armazenada em qualquer colisão. A energia da massa e a energia do movimento de quarks e glúons podem mudar, assim como a energia de sua interação, mas a energia total do próton não muda, embora tudo dentro dele esteja constantemente mudando. Portanto, a massa do próton permanece constante, apesar de seu vórtice interno.

Nesse ponto, você pode parar e absorver as informações recebidas. Incrível! Quase toda a massa contida na matéria comum provém da massa de núcleons nos átomos. E a maior parte dessa massa provém do caos inerente ao próton e ao nêutron - à energia do movimento de quarks, glúons e antiquarques nos núcleons, e à energia do trabalho de fortes interações nucleares que mantêm o núcleo em todo o estado. Sim: nosso planeta, nossos corpos, nossa respiração são o resultado de uma multidão tão silenciosa e, até recentemente, inimaginável.