Eis uma verdade misteriosa que os cientistas conhecem desde 1983: prótons e nêutrons agem de maneira diferente quando estão dentro de um átomo, em vez de flutuar livremente no espaço. Especificamente, as partículas subatômicas que compõem esses prótons e nêutrons, chamados quarks, diminuem bastante quando ficam confinadas a um núcleo em um átomo.
Os físicos realmente não gostaram disso, porque os nêutrons são nêutrons, estejam eles dentro de um átomo ou não. E prótons são prótons. Os prótons e os nêutrons (que juntos formam a classe de partículas chamadas "núcleons") são compostos de três partículas menores, chamadas quarks, unidas pela força forte.
"Quando você coloca quarks em um núcleo, eles começam a se mover mais devagar, e isso é muito estranho", disse o co-autor do estudo, Or Hen, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Isso é estranho, porque as interações poderosas entre os quarks determinam principalmente sua velocidade, enquanto as forças que ligam o núcleo (e também atuam nos quarks dentro do núcleo) devem ser muito fracas, acrescentou Hen.
E não há outra força conhecida que deva modificar o comportamento dos quarks em um núcleo tão intensamente. No entanto, o efeito permanece: os físicos de partículas o chamam de efeito EMC, nomeado para a European Muon Collaboration, o grupo que o descobriu. E até recentemente, os cientistas não tinham certeza do que o causou.
Duas partículas em um núcleo são tipicamente reunidas por uma força de cerca de 8 milhões de elétron-volts (8 MeV), uma medida de energia nas partículas. Quarks em um próton ou nêutron são ligados por cerca de 1.000 MeV. Portanto, não faz sentido que as interações relativamente leves do núcleo tenham um impacto dramático nas interações poderosas dentro dos quarks, disse Hen à Live Science.
"O que são oito ao lado de 1.000?" ele disse.
Mas o efeito EMC não parece um leve empurrão de uma força externa. Embora varie de um tipo de núcleo para outro, "não é meio por cento. O efeito sai dos dados quando você é criativo o suficiente para criar um experimento para procurá-lo", disse Hen.
Dependendo do núcleo envolvido, o tamanho aparente dos nucleons (que é uma função de sua velocidade) pode mudar de 10 a 20 por cento. Em um núcleo de ouro, por exemplo, prótons e nêutrons são 20% menores do que quando flutuam livremente.
Os teóricos criaram muitos modelos diferentes para explicar o que estava acontecendo aqui, disse Hen.
"Um amigo meu brincou que a EMC significava 'Todo mundo é legal' porque todo modelo parecia capaz de explicar", disse ele.
Mas com o tempo, os físicos fizeram mais experimentos, testando esses diferentes modelos, e um após o outro desapareceu.
"Ninguém conseguiu explicar todos os dados, e ficamos com um grande quebra-cabeça. Agora temos muitos dados, medições de como os quarks se movem dentro de todos os tipos de núcleos diferentes e não conseguimos explicar o que estava acontecendo. ," ele disse.
Em vez de tentar explicar todo o quebra-cabeça de uma só vez, Hen e seus colegas decidiram analisar apenas um caso especial de interação de nêutrons e prótons.
Na maioria das circunstâncias, prótons e nêutrons em um núcleo não se sobrepõem, respeitando os limites um do outro - embora sejam realmente apenas sistemas de quarks ligados. Mas, às vezes, os núcleons se ligam dentro do núcleo existente e começam a se sobrepor fisicamente um ao outro, tornando-se o que os cientistas chamam de "pares correlacionados". A qualquer momento, cerca de 20% dos núcleons de um núcleo se sobrepõem dessa maneira.
Quando isso acontece, enormes quantidades de energia fluem entre os quarks, mudando fundamentalmente sua estrutura e comportamento vinculados - um fenômeno causado pela força forte. Em um artigo publicado em 20 de fevereiro na revista Nature, os pesquisadores argumentaram que esse fluxo de energia explica precisamente o efeito EMC.
A equipe bombardeou vários tipos diferentes de núcleos com elétrons e encontrou uma relação direta entre esses pares de núcleos e o efeito EMC.
Seus dados sugerem fortemente, disse Hen, que os quarks na maioria dos núcleons não mudam quando entram no núcleo. Mas os poucos envolvidos em pares de núcleos alteram seu comportamento tão dramaticamente que distorcem os resultados médios em qualquer experimento. O fato de muitos quarks embalados em um espaço tão pequeno causar alguns efeitos dramáticos de força forte. O efeito EMC é o resultado de apenas uma minoria de anomalias, em vez de uma alteração no comportamento de todos os prótons e nêutrons.
A partir dos dados, a equipe derivou uma função matemática que descreve com precisão como o efeito EMC se comporta de um núcleo para o outro.
"Eles fizeram uma previsão, e sua previsão foi mais ou menos confirmada", disse Gerald Feldman, físico da Universidade George Washington que escreveu um artigo associado do News & Views na mesma edição da Nature, mas não participou da pesquisa.
Essa é uma forte evidência de que esse efeito de emparelhamento é a resposta real ao mistério da EMC, disse Feldman à Live Science.
Após 35 anos, os físicos de partículas parecem ter resolvido esse problema com muitas soluções inúteis. Hen disse que ele e seus colegas já têm experimentos de acompanhamento planejados para investigar a questão ainda mais profundamente, e revelam novas verdades desconhecidas sobre o comportamento dos núcleos emparelhados dentro dos átomos.
