Ninguém sabe realmente o que acontece dentro de um átomo. Mas dois grupos concorrentes de cientistas acham que descobriram. E ambos estão correndo para provar que sua própria visão está correta.
Eis o que sabemos com certeza: os elétrons giram em torno de "orbitais" na camada externa de um átomo. Depois, há muito espaço vazio. E então, bem no centro desse espaço, há um núcleo minúsculo - um nó denso de prótons e nêutrons que dão ao átomo a maior parte de sua massa. Esses prótons e nêutrons se agrupam, ligados pelo que é chamado de força forte. E o número desses prótons e nêutrons determina se o átomo é ferro, oxigênio ou xenônio e se é radioativo ou estável.
Ainda assim, ninguém sabe como esses prótons e nêutrons (juntos conhecidos como núcleons) se comportam dentro de um átomo. Fora de um átomo, prótons e nêutrons têm tamanhos e formas definidos. Cada um deles é composto de três partículas menores chamadas quarks, e as interações entre esses quarks são tão intensas que nenhuma força externa deve ser capaz de deformar, nem mesmo as forças poderosas entre as partículas de um núcleo. Mas há décadas, os pesquisadores sabem que a teoria está de alguma forma errada. Experimentos mostraram que, dentro de um núcleo, prótons e nêutrons parecem muito maiores do que deveriam. Os físicos desenvolveram duas teorias concorrentes que tentam explicar essa incompatibilidade estranha, e os proponentes de cada um têm certeza de que o outro está incorreto. Ambos os campos concordam, no entanto, que seja qual for a resposta correta, ela deve vir de um campo além do seu.
Desde pelo menos a década de 1940, os físicos sabem que os núcleons se movem em pequenos orbitais apertados dentro do núcleo, disse à Live Science Gerald Miller, físico nuclear da Universidade de Washington. Os núcleons, confinados em seus movimentos, têm muito pouca energia. Eles não pulam muito, contidos pela força forte.
Em 1983, os físicos da Organização Européia de Pesquisa Nuclear (CERN) notaram algo estranho: feixes de elétrons ricochetearam no ferro de uma maneira muito diferente da forma como ricochetearam prótons livres, disse Miller. Isso foi inesperado; se os prótons dentro do hidrogênio fossem do mesmo tamanho que os prótons dentro do ferro, os elétrons deveriam ter ricocheteado da mesma maneira.
No começo, os pesquisadores não sabiam o que estavam vendo.
Mas com o tempo, os cientistas começaram a acreditar que era um problema de tamanho. Por alguma razão, prótons e nêutrons dentro de núcleos pesados agem como se fossem muito maiores do que quando estão fora dos núcleos. Os pesquisadores chamam esse fenômeno de efeito EMC, após a European Muon Collaboration - o grupo que o descobriu acidentalmente. Ele viola as teorias existentes da física nuclear.
Ou Hen, um físico nuclear do MIT, tem uma ideia que poderia explicar o que está acontecendo.
Enquanto os quarks, as partículas subatômicas que compõem os nucleons, interagem fortemente dentro de um dado próton ou nêutron, os quarks de diferentes prótons e nêutrons não conseguem interagir muito um com o outro, disse ele. A força forte dentro de um núcleo é tão forte que eclipsa a força forte que mantém os nucleons em outros núcleons.
"Imagine sentado no seu quarto conversando com dois de seus amigos com as janelas fechadas", disse Hen.
O trio na sala tem três quarks dentro de um nêutron ou próton.
"Uma brisa leve está soprando lá fora", disse ele.
Essa brisa leve é a força que mantém o próton ou nêutron nos núcleons próximos que estão "do lado de fora" da janela. Mesmo que um pouco escapasse pela janela fechada, Hen disse, isso apenas o afetaria.
E enquanto os núcleons permanecerem em seus orbitais, esse é o caso. No entanto, ele disse, experimentos recentes mostraram que, a qualquer momento, cerca de 20% dos núcleons de um núcleo estão de fato fora de seus orbitais. Em vez disso, eles estão emparelhados com outros núcleons, interagindo em "correlações de curto alcance". Nessas circunstâncias, as interações entre os núcleons são muito mais energéticas do que o normal, disse ele. Isso ocorre porque os quarks atravessam as paredes de seus núcleons individuais e começam a interagir diretamente, e essas interações entre quarks e quarks são muito mais poderosas que as interações nucleon-nucleon.
Essas interações quebram as paredes que separam os quarks de prótons ou nêutrons individuais, disse Hen. Os quarks que compõem um próton e os quarks que compõem outro próton começam a ocupar o mesmo espaço. Isso faz com que os prótons (ou nêutrons, conforme o caso) se expandam e se esvai, disse Hen. Eles crescem muito, embora por períodos muito curtos. Isso distorce o tamanho médio de toda a coorte no núcleo - produzindo o efeito EMC.
A maioria dos físicos agora aceita essa interpretação do efeito EMC, disse Hen. E Miller, que trabalhou com Hen em algumas das principais pesquisas, concordou.
Mas nem todo mundo pensa que o grupo de Hen tem o problema resolvido. Ian Cloët, físico nuclear do Laboratório Nacional Argonne, em Illinois, disse que acha que o trabalho de Hen tira conclusões que os dados não suportam totalmente.
"Acho que o efeito da EMC ainda não foi resolvido", disse Cloët à Live Science. Isso ocorre porque o modelo básico da física nuclear já responde por grande parte do emparelhamento de curto alcance que Hen descreve. No entanto, "se você usar esse modelo para tentar analisar o efeito EMC, não descreverá o efeito EMC. Não há uma explicação bem-sucedida do efeito EMC usando essa estrutura. Portanto, na minha opinião, ainda há um mistério".
Hen e seus colaboradores estão fazendo um trabalho experimental que é "valente" e "muito boa ciência", disse ele. Mas isso não resolve completamente o problema do núcleo atômico.
"O que está claro é que o modelo tradicional da física nuclear ... não pode explicar esse efeito EMC", disse ele. "Agora pensamos que a explicação deve vir do próprio QCD".
QCD significa cromodinâmica quântica - o sistema de regras que governa o comportamento dos quarks. Mudar da física nuclear para o QCD é um pouco como olhar para a mesma imagem duas vezes: uma vez em um telefone flip de primeira geração - isso é física nuclear - e novamente em uma TV de alta resolução - isso é cromodinâmica quântica. A TV de alta resolução oferece muito mais detalhes, mas é muito mais complicado de construir.
O problema é que as equações completas do QCD que descrevem todos os quarks de um núcleo são muito difíceis de resolver, disseram Cloët e Hen. Os supercomputadores modernos estão a cerca de 100 anos de serem rápidos o suficiente para a tarefa, estimou Cloët. E mesmo que os supercomputadores sejam rápidos o suficiente hoje, as equações ainda não avançaram ao ponto em que você pode conectá-las a um computador, disse ele.
Ainda assim, ele disse, é possível trabalhar com o QCD para responder a algumas perguntas. E agora, ele disse, essas respostas oferecem uma explicação diferente para o efeito EMC: teoria dos campos médios nucleares.
Ele discorda de que 20% dos núcleons de um núcleo estão ligados a correlações de curto alcance. Os experimentos simplesmente não provam isso, disse ele. E há problemas teóricos com a ideia.
Isso sugere que precisamos de um modelo diferente, disse ele.
"A imagem que tenho é que sabemos que dentro de um núcleo existem forças nucleares muito fortes", disse Cloët. Estes são "um pouco como campos eletromagnéticos, exceto que são campos de força fortes".
Os campos operam a distâncias tão pequenas que são de magnitude desprezível fora do núcleo, mas são poderosos dentro dele.
No modelo de Cloët, esses campos de força, que ele chama de "campos médios" (pela força combinada que eles carregam) na verdade deformam a estrutura interna de prótons, nêutrons e pions (um tipo de partícula forte que carrega força).
"Assim como se você pegar um átomo e o colocar dentro de um forte campo magnético, você mudará a estrutura interna desse átomo", disse Cloët.
Em outras palavras, os teóricos dos campos médios acham que a sala selada que Hen descreveu tem buracos em suas paredes e o vento sopra para derrubar os quarks, esticando-os.
Cloët reconheceu que é possível que as correlações de curto alcance provavelmente expliquem parte do efeito EMC, e Hen disse que os campos médios provavelmente também desempenham um papel.
"A questão é, o que domina", disse Cloët.
Miller, que também trabalhou extensivamente com Cloët, disse que o campo médio tem a vantagem de ser mais bem fundamentado na teoria. Mas Cloët ainda não fez todos os cálculos necessários, disse ele.
E agora, o peso das evidências experimentais sugere que Hen tem o melhor do argumento.
Hen e Cloët disseram que os resultados de experimentos nos próximos anos podem resolver a questão. Hen citou um experimento em andamento no Jefferson National Accelerator Facility, na Virgínia, que aproximará os nucleons, pouco a pouco, e permitirá que os pesquisadores os assistam mudar. Cloët disse que deseja ver um "experimento EMC polarizado" que interrompa o efeito com base na rotação (uma característica quântica) dos prótons envolvidos. Pode revelar detalhes invisíveis do efeito que poderia ajudar nos cálculos, disse ele.
Todos os três pesquisadores enfatizaram que o debate é amigável.
"É ótimo, porque significa que ainda estamos progredindo", disse Miller. "Eventualmente, algo estará no livro didático e o jogo terminará ... O fato de haver duas idéias concorrentes significa que é emocionante e vibrante. E agora finalmente temos as ferramentas experimentais para resolver esses problemas".
