Novas descobertas do detector STAR no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) desafiam a imagem familiar do que dá aos prótons uma de suas propriedades quânticas definidoras. Os resultados sugerem que os glúons, as partículas que atuam como a cola que mantém os quarks unidos, podem desempenhar um papel fundamental no transporte e manutenção do número bariônico.
A evidência vem de colisões de partículas de alta energia no RHIC, uma instalação usuária do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisas em física nuclear que operou no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE de 2000 ao início de 2026. De acordo com um novo estudo, publicado em ciênciao número bariônico pode estar relacionado a uma “conexão” de glúons em forma de Y que conecta os três quarks principais do próton. Se confirmado, desafiaria a suposição de longa data de que o número de bárions pertence exclusivamente a esses quarks.
“Tradicionalmente, os cientistas presumiram que cada um dos três principais quarks de ‘capacidade’ dentro de um próton ou nêutron carrega um terço do número de bárions”, disse Zhangbo Zhou, professor da Kent State University com nomeação conjunta no Brookhaven Lab.
Uma ideia de décadas sobre glúons
Os físicos propuseram pela primeira vez o emaranhamento de bárions, também chamado de emaranhamento de glúons, na década de 1970, como uma forma de descrever como os glúons se ligam aos quarks de valência dentro de um próton. Em 1996, quatro anos antes do RHIC iniciar as operações, Dmitri Kharizev, físico teórico da Universidade Stony Brook e do Laboratório Brookhaven, sugeriu que a junção poderia fazer coisas ainda mais fundamentais. Em vez dos quarks de valência carregarem o número bariônico, o próprio sítio de ligação poderia ser o responsável.
A colaboração STAR desenvolveu agora uma forma de testar esta possibilidade utilizando vários tipos de colisões produzidas no RHIC.
“Usando dados coletados de diferentes tipos de colisões de partículas no RHIC, nossos resultados mostram que o número bariônico não é transportado apenas por quarks individuais”, acrescentou Shu. “Nossas descobertas apoiam fortemente a ideia de que o número bárion é transportado de forma mais eficiente pelos glúons, as partículas que contêm os quarks, quando dispostos nesta configuração específica”.
Por que o número bariônico é importante?
Determinar o que realmente carrega o número bariônico vai muito além da estrutura interna de um próton. Nas colisões RHIC, a conservação do número bárion significa que o número total de bárions, partículas de três quarks como prótons e nêutrons, deve permanecer o mesmo antes e depois da colisão. O mesmo princípio de conservação se aplica em escala cósmica.
“Desde o Big Bang, o número de prótons e nêutrons juntos nunca mudou em função do tempo”, disse Nicole Lewis, física STAR da Rice University que iniciou o projeto como pós-doutorado no Brookhaven Lab em 2020. “As razões para esta proteção não são bem compreendidas”, disse ele.
A conservação do número bariônico também tem uma consequência mais tangível. Isto ajuda a explicar a extraordinária estabilidade dos prótons, que formam a parte central dos núcleos atômicos e não parecem decair em condições normais.
“Acredita-se que a vida útil de um próton é maior que a vida útil do universo”, diz Lewis. Isto permite que os núcleos atómicos se formem e sejam estáveis – o que significa que a matéria, à medida que interagimos com ela no universo, pode existir.
Um próton mais complexo
A possibilidade de os glúons terem número bariônico invalida a descrição padrão simplificada encontrada em muitos livros didáticos. Nessa imagem, um protão tem um número de bárions mais um, dividido igualmente entre os seus três principais quarks de valência. Assim, cada quark carrega um terço da quantidade de bárions que a carga elétrica do próton distribuída entre seus três quarks de valência.
Mas os prótons reais são muito mais complicados do que sugere o modelo simplificado.
“No modelo simples de quarks, existem três quarks dentro de um próton, mas nada mais”, diz Tommy Tsang, pós-doutorado na Kent State University e agora no Argonne National Laboratory do DOE. Mas se olharmos para os detalhes internos, não existem apenas três quarks, mas também existem muitos glúons conectando esses quarks, e também existem quarks e antiquarks que saem do vácuo, então é na verdade um objeto muito complexo.
A cromodinâmica quântica (QCD), a teoria usada para descrever essas interações, tem tido muito sucesso na explicação da força forte que atua entre quarks e glúons. No entanto, os modelos inspirados na QCD muitas vezes requerem suposições adicionais para reproduzir alguns dos padrões de partículas observados quando o RHIC colide núcleos quase à velocidade da luz.
Um excesso inesperado de bárions
Uma observação em particular chamou a atenção da equipa STAR. O detector registra muitas vezes mais bárions do que antibárions que emergem da colisão perpendicular à direção dos feixes recebidos.
“No detector STAR, vemos consistentemente bárions extras ejetados de colisões perpendiculares à direção dos feixes incidentes”, disse Tsang. “O facto de acabarmos com mais bárions do que antibárions – ou mais matéria do que antimatéria – não é surpreendente porque começamos com a matéria”, disse ele.
Estas colisões altamente energéticas convertem enormes quantidades de energia em milhares de partículas recém-criadas. O que surpreendeu os investigadores não foi o facto de terem sido produzidos mais bárions do que antibárions. Foi aí que apareceram os bárions extras.
Se apenas os quarks de valência carregassem o número bárion, todos os três quarks de valência de um próton em colisão teriam que parar perto do centro do detector para explicar a distância excessiva da linha do feixe. Eles devem então converter-se de matéria em energia e de volta em matéria, produzindo novos bárions que se movem perpendicularmente ao feixe.
Os pesquisadores do STAR suspeitaram que poderia haver outra explicação.
Fornece carregamento elétrico experimental
A equipe encontrou uma maneira de investigar esse mistério aproveitando outra propriedade dos quarks de valência: a carga elétrica. Os cientistas compararam o número líquido de bárions medido em várias colisões nucleares RHIC com a forma como a carga elétrica foi redistribuída nos mesmos eventos.
“Medir a carga eléctrica que sai perpendicularmente à colisão dá-nos uma forma definitiva de medir quantos quarks são parados e transformados em novas partículas”, disse Zebo Tang, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China que liderou um grupo de estudantes analisando os dados e simulando os modelos.
Esta comparação mostrou uma discrepância significativa. Os pesquisadores observaram quase o dobro de bárions que deveriam ter sido produzidos com base na carga elétrica associada aos quarks parados.
De acordo com os modelos baseados em QCD, isto significa que poucos quarks são parados para conter todos os bárions que aparecem no detector.
Isto deixou uma questão importante: Qual era o portador do número bariónico extra?
Os físicos da STAR argumentam que os glúons oferecem uma resposta possível, especificamente a ligação tripla do glúon que une os quarks de valência do próton.
Como a ligação do glúon pode transportar o número bariônico?
O mecanismo proposto depende do que acontece quando os prótons dentro dos núcleos em colisão atingem energias enormes. De acordo com a equipe STAR, o “acoplamento de glúons” ou “acoplamento bárion” que une os quarks pode ser quebrado muito mais facilmente do que os próprios três quarks quando colidem.
Se a ligação parar, a sua energia pode ser convertida em bárions recém-produzidos que se movem para fora em direções perpendiculares aos feixes. Enquanto isso, os quarks de valência, já unidos por ligação, podem continuar a se mover ao longo do feixe.
Compreender o porquê requer investigar a mudança na estrutura interna do próton à medida que sua energia aumenta.
“O acoplamento bariônico está sempre presente, mesmo quando os prótons aceleram para energias cada vez mais altas”, disse Prithwish Tribedy, físico STAR do Brookhaven Lab. Mas em altas energias, os glúons dentro do próton se dividem e se multiplicam.
À medida que o número de glúons aumenta, o momento do próton se espalha entre mais deles. Portanto, cada glúon individual, incluindo aqueles que formam o sítio de ligação, carrega uma fração menor do momento total do próton. No entanto, os quarks de valência ainda carregam a maior parte do impulso direto do próton.
Como resultado, quando ocorre uma colisão, a ligação do glúon tripartido, relativamente mais lenta do que a dos quarks que se movem rapidamente, pode ser mais facilmente interrompida e transformada em novas partículas.
De acordo com Tribedy, parar uma estrutura ligada também é mais fácil do que parar três quarks individuais, tornando tal interação mais provável.
“Nesta colisão, a ligação dos bárions é retida e os quarks continuam o seu caminho”, observou ele.
Criação de novas partículas após colisão
Quarks e glúons não podem permanecer separados, então eles se combinam rapidamente com outras partículas após a colisão.
Num exemplo simplificado, um quark que continua pelo tubo do feixe pode juntar-se a um antiquark para formar uma partícula de dois quarks chamada méson. Ao mesmo tempo, a ligação tripla do glúon pode agir como um ímã em forma de Y, puxando três quarks recém-criados do vácuo e produzindo um novo bárion.
As colisões reais do RHIC são significativamente mais violentas e complexas.
“Embora comecemos com núcleos que têm cerca de 100 prótons e 100 nêutrons, essas colisões criam milhares de novas partículas”, diz Rongrong Ma, físico do Laboratório Brookhaven. 99% da energia é convertida em novas partículas.
A equipe STAR descobriu que as colisões que produzem um maior número de partículas mostram mais bárions de velocidade média, em comparação com previsões mais simples baseadas em imagens, nas quais os quarks sozinhos carregam o número de bárions.
O facto de tantos destes bárions emergirem perpendicularmente à linha de luz fornece fortes evidências de que o acoplamento bariónico está presente e desempenha um papel importante no transporte do número bariónico, disseram os investigadores.
Repensando uma propriedade fundamental da matéria
Os resultados mostram que uma das características quânticas definidoras do próton pode não estar localizada apenas nos seus três quarks de valência. Em vez disso, a estrutura do glúon que une esses quarks pode desempenhar um papel na forma como o número bariônico é transportado através de colisões de alta energia.
“A nossa investigação desafia a velha ideia de que o número bárion é simplesmente dividido e transportado por três quarks”, diz Ma. “Esta nova compreensão muda a forma como pensamos sobre a estrutura da matéria e aprofunda o nosso conhecimento do elemento mais fundamental responsável pelo universo tal como ele é”.
Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Science, pela US National Science Foundation (NSF) e por inúmeras agências e organizações internacionais listadas no artigo da Science. Os pesquisadores também usaram o Open Science Grid, que é apoiado diretamente pela NSF, juntamente com recursos de computação no Laboratório de Computação e Dados Científicos de Brookhaven e no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC), outra instalação de usuário do DOE Office of Science localizada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE.
