Em 1983, descobriu-se que a estrutura interna de um núcleo – um próton ou um nêutron – depende do seu ambiente1. Ou seja, a estrutura de um núcleo em espaço vazio é diferente da sua estrutura quando está embutida dentro de um núcleo atômico. Entretanto, apesar do vigoroso trabalho teórico e experimental, a causa dessa modificação permanece desconhecida. Em um trabalho na Natureza, a Colaboração CLAS2 apresenta evidências que lançam luz sobre esta questão de longa data.
O advento da física nuclear remonta aos dias de Ernest Rutherford, cujas experiências no início do século XIX sobre a dispersão de α-partículas (núcleos de hélio) por matéria revelaram um núcleo compacto e denso no centro dos átomos3. Desde então, os físicos têm trabalhado para compreender a estrutura do núcleo atômico e a dinâmica das suas partes componentes. Da mesma forma, desde a revelação no final dos anos 60 que os próprios núcleos têm constituintes internos chamados quarks4,5, um extenso trabalho tem se concentrado no estudo desta estrutura subjacente mais profunda.
Durante décadas, pensava-se geralmente que os núcleos nos núcleos eram estruturalmente independentes uns dos outros e que eram influenciados essencialmente pelo campo nuclear médio produzido por suas interações mútuas. No entanto, uma questão persistente tinha sido se os núcleos eram modificados quando dentro de um núcleo; ou seja, se a sua estrutura era diferente da de um núcleo livre. Em 1983, uma descoberta surpreendente da European Muon Collaboration (EMC) no laboratório de física de partículas CERN, perto de Genebra, Suíça, forneceu evidências de tal modificação de núcleon1. A modificação, conhecida como o efeito EMC, manifestou-se como uma variação na distribuição do momento dos quarks dentro dos núcleos incorporados nos núcleos. Este resultado foi verificado por experimentos subsequentes no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC em Menlo Park, Califórnia6,7, e no Laboratório Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson (Jefferson Lab) em Newport News, Virginia8.
Embora a existência do efeito EMC esteja agora firmemente estabelecida, sua causa tem sido elusiva. O pensamento atual oferece duas explicações possíveis. A primeira é que todos os núcleos de um núcleo são modificados em certa medida por causa do campo nuclear médio. A segunda é que a maioria dos núcleos não são modificados, mas que os núcleos específicos são substancialmente alterados pela interação nos chamados pares correlatos de curto alcance (SRC) em curtos períodos de tempo (Fig. 1). O presente trabalho fornece evidências definitivas a favor da segunda explicação.
Figure 1 | Protões e nêutrons modificados em núcleos. a, Núcleos – nêutrons e prótons – são compostos de partículas elementares chamadas quarks. Os neutrões contêm um quark ‘para cima’ e dois quarks ‘para baixo’, enquanto que os prótons contêm dois quarks para cima e um quark para baixo. b, Nos núcleos atómicos, os núcleos podem interagir brevemente nos chamados pares correlacionados de curto alcance (SRC). A Colaboração CLAS2 relata evidências de que essas interações alteram a estrutura interna dos núcleos dentro do núcleo.
O efeito EMC é medido em experimentos nos quais os elétrons são dispersos a partir de um sistema de partículas, como um núcleo ou um núcleon. As energias eletrônicas são selecionadas de modo que as ondas quântico-mecânicas associadas aos elétrons tenham um comprimento de onda que corresponda às dimensões do sistema de interesse. Para estudar o interior de um núcleo, são necessárias energias de 1-2 GeV (bilhões de elétrons). Para sondar a estrutura de um sistema menor, como um núcleo, são necessárias energias superiores (comprimentos de onda menores), num processo chamado dispersão inelástica profunda (DIS). Este processo foi central para a descoberta da subestrutura quark dos núcleons4,5, que resultou no Prémio Nobel da Física de 19909,
Em experiências DIS, a velocidade a que a dispersão ocorre é descrita por uma quantidade chamada secção transversal de dispersão. A magnitude do efeito EMC é determinada traçando a relação da secção transversal per-núcleo para um determinado núcleo com a do deutério isotópico de hidrogénio em função do impulso do quark que é atingido pelo electrão. Se não houvesse modificação do núcleo, esta razão teria um valor constante de 1. O facto desta razão diminuir em função do momento para um dado núcleo indica que os núcleos individuais no núcleo são de alguma forma modificados. Além disso, o fato desta diminuição ocorrer mais rapidamente se a massa do núcleo for aumentada sugere que o efeito EMC é aumentado para núcleos mais pesados.
A Colaboração CLAS utilizou dados de dispersão de elétrons tomados no Jefferson Lab para estabelecer uma relação entre o tamanho do efeito EMC e o número de pares de neutrões-protões SRC em um dado núcleo. Uma característica chave do trabalho é a extração de uma função matemática que inclui o efeito dos pares SRC na seção transversal de dispersão e que se mostra ser independente do núcleo. Esta universalidade fornece uma forte confirmação da correlação entre o efeito EMC e os pares SRC de neutrões-protões. Os resultados indicam que a modificação dos núcleos é um efeito dinâmico que surge de variações de densidade local, ao contrário de ser uma propriedade estática, em massa, do meio no qual todos os núcleos são modificados pelo campo nuclear médio.
Os autores focalizaram os pares SRC de nêutrons-protões por uma razão particular: acontece que estes pares são mais comuns que seus pares neutron-neutron ou próton-proton. Neste sentido, os núcleons são isofóbicos; ou seja, núcleons similares são menos propensos a se emparelharem do que núcleons diferentes. Portanto, devido à assimetria no número de nêutrons e prótons em núcleos de massa média e pesada, a probabilidade dos prótons formarem pares de nêutrons e prótons SRC aumenta aproximadamente como a razão entre nêutrons e prótons, enquanto a probabilidade dos nêutrons fazerem isso tende a ser de platô10. A Colaboração CLAS utilizou essa característica específica para solidificar suas conclusões, demonstrando uma clara diferença entre os efeitos EMC por prótons e por neutrões para núcleos assimétricos mais pesados que o carbono. O fato de que essa distinção emerge diretamente dos dados fornece mais suporte para a interpretação dos autores de que a modificação dos núcleos decorre da formação de pares SRC.
Uma implicação do presente estudo é que as informações deduzidas sobre os neutrões livres dos experimentos DIS em deutério ou núcleos mais pesados precisam ser corrigidas para que o efeito EMC seja responsável pela modificação dos neutrões no meio nuclear. Outra consequência diz respeito aos experimentos atuais e futuros nos quais os neutrinos ou suas antipartículas (antineutrinos) estão dispersos a partir de núcleos assimétricos. Como os prótons e os nêutrons têm composições de quark diferentes, e como os prótons são mais fortemente afetados pela modificação in-medium do que os nêutrons, as seções transversais de dispersão de neutrinos e antineutrinos podem mostrar variações que poderiam erroneamente ser atribuídas a um efeito de alguma física exótica – como deficiências no modelo padrão da física de partículas, ou possíveis mecanismos para entender a assimetria entre matéria e antimatéria no Universo. Antes de se poder fazer qualquer afirmação desse tipo, as diferenças no efeito EMC para prótons e nêutrons teriam que ser levadas em conta.