Dissecção da massa do próton

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APS/Alan Stonebraker

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No início toda a massa de matéria conhecida está contida dentro dos prótons e nêutrons – as partículas que compõem os núcleos dos átomos. Mas como é que os protões e os neutrões adquirem a sua massa? Cada uma destas partículas, ou “núcleons”, é composta por uma densa e espumosa confusão de outras partículas: quarks, que têm massa, e gluons, que não têm. No entanto, as massas dos quarks somam apenas 1% da massa de um próton ou nêutron, sendo que a maior parte da massa do próton vem puramente do movimento e confinamento dos quarks e gluons. Yi-Bo Yang da Michigan State University, East Lansing, e colegas quantificaram agora, pela primeira vez, quatro contribuições separadas para a massa do próton com um cálculo baseado na cromodinâmica quântica (QCD), a teoria fundamental da forte interação no núcleo e uma pedra angular do modelo padrão da física de partículas . Enquanto esta decomposição em quatro partes é conhecida há mais de 20 anos , o entendimento dos físicos tem sido apenas qualitativo.

Os quarks que compõem o próton e o nêutron são partículas fundamentais, que obtêm suas massas através do mecanismo de Higgs. O mesmo mecanismo não explica a massa do próton, que é composto por dois quarks up ( 2.4MeV∕c2 cada) e um down quark ( 5.0MeV∕c2) . Claramente, a soma dessas três massas fica muito aquém da massa real do próton, 938.27MeV∕c2. Agora, a mecânica quântica diz-nos que também existe massa (ou equivalente, energia) associada ao confinamento dos quarks no próton, cujo diâmetro é de cerca de 10-15m. Usando um argumento do princípio da incerteza, a posição confinada das partículas traduz-se num grande impulso e deve acrescentar cerca de 300MeV∕c2 – no parque de esferas direito da massa do próton mas ainda assim demasiado pequena. (Argumentos semelhantes aplicam-se ao nêutron, que é composto por dois quarks para baixo e um quark para cima.)

De facto, há uma década que existem previsões precisas do modelo padrão tanto da massa do próton como da massa do nêutron. Nas baixas energias relevantes para um núcleo, essas massas podem ser previstas a partir de apenas três parâmetros: uma escala de massa global, que é gerada dinamicamente no QCD, e os parâmetros de quark para cima e para baixo. As massas de prótons e nêutrons são conhecidas muito mais precisamente a partir de experimentos do que jamais será possível a partir de predições de modelos padrão. Entretanto, os físicos gostariam de entender como as massas emergem do QCD, da mesma forma que eles podem prever o espectro de hidrogênio a partir da teoria quântica.

Yang e colegas fizeram exatamente isso, determinando pela primeira vez as várias contribuições para a massa de prótons que surgem da dinâmica de quark e gluon . Os pesquisadores contam com um poderoso método conhecido como QCD em malha, que coloca quarks nos sítios de uma malha e gluões nas ligações entre eles. Esta rigorosa representação do QCD pode ser implementada numericamente, e é o único método baseado no QCD que pode fazer previsões quantitativas em escalas de comprimento comparáveis ao protão ou maiores. (Nestas escalas, as interacções entre quarks e gluões são tão fortes, que não podem ser tratadas com diagramas de Feynman e outros métodos “perturbativos”). No entanto, a DQC da malha é uma técnica cara. A discretização cria erros, e removê-los implica levar o espaçamento da malha, a, a zero. Este passo é alcançado na prática através da realização de múltiplos cálculos a diferentes valores de a, a um custo numérico elevado que se escalona como a-6. No entanto, o QCD da árvore amadureceu significativamente nos últimos anos, permitindo a determinação mais precisa das massas quark e muitas propriedades dos mésons leves e pesados, que são compostos por um quark e um antiquark.

Uma partícula de três quadrados como o núcleo é exponencialmente mais complicada para o QCD da árvore, e cálculos bem sucedidos, com todas as fontes de incerteza controladas, têm sido raros. Em seu trabalho, Yang e colaboradores superaram algumas das complicações usando novos métodos computacionais que eles, juntamente com outros, desenvolveram . Estes avanços permitiram-lhes calcular a contribuição para a massa de prótons de quatro fontes conhecidas como o condensado quark ( ∼9%), a energia quark ( ∼32%), a energia de força de campo gluônico ( ∼37%), e a contribuição anômala gluônica ( ∼37%) (Fig. 1). A menor contribuição, o condensado de quark, é uma mistura dos quarks para cima e para baixo e um “mar” de quarks virtuais estranhos, e é a única que desapareceria se as massas de quark fossem zero. Os outros três termos estão todos relacionados com a dinâmica dos quarks e gluões e o seu confinamento dentro do próton. A energia dos quarks e a força do campo gluónico equivalem à energia cinética dos quarks e dos gluões confinados, respectivamente. O termo anómalo é um efeito puramente quântico. Está associado à escala de massa QCD e consiste em contribuições de condensados de todos os sabores dos quarks, incluindo os quarks estranhos, de charme, inferiores e superiores. Os cálculos de Yang e colegas mostram que, se as massas dos quarks para cima, para baixo e estranhas fossem todas zero, o próton ainda teria mais de 90% da sua massa experimental. Em outras palavras, quase toda a massa conhecida no Universo vem da dinâmica dos quarks e gluões.

Físicos há muito querem entender o surgimento da massa do núcleo em termos do modelo padrão, e os achados de Yang e colegas de trabalho são uma contribuição importante para esse objetivo. Seu trabalho e outros trabalhos como este também significam uma nova era, na qual nossa compreensão dos núcleons é cada vez mais moldada por previsões quantitativas baseadas na DQD da malha. Só este ano, os pesquisadores usaram o QCD em malha para determinar a carga axial dos núcleos, uma quantidade onipresente na física nuclear, com uma precisão sem precedentes de 1%. O QCD em malha, aliado a poderosos métodos analíticos para simplificar os cálculos do QCD, levará a uma melhor compreensão da subestrutura do núcleo, que está sendo explorada em vários colidores ao redor do mundo e seria um dos focos de uma máquina proposta chamada Electron-Ion Collider. Em última análise, a esperança é que a malha QCD possa ser aplicada a um núcleo (múltiplos núcleos). Os núcleos são usados como detectores em várias buscas experimentais de modelos físicos padrão, como a matéria escura, um momento dipolo elétrico permanente, e a decomposição de duplo beta-neutrino sem neutrinos. A interpretação destes experimentos exigirá um entendimento quantitativo da física nuclear que está enraizado no modelo padrão. Este tipo de problema complexo está cada vez mais no domínio do QCD da malha, graças à disponibilidade dos computadores quase fascistas, Sierra e Summit, que estão chegando online agora e são 10 a 15 vezes mais poderosos do que mesmo aqueles usados por Yang e colegas de trabalho.

Esta pesquisa está publicada em Physical Review Letters.

1. Y.-B. Yang, J. Liang, Y.-J. Bi, Y. Chen, T. Draper, K.-F. Liu, e Z. Liu, “Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor”, Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018).
2. X.-D. Ji, “Análise do QCD da estrutura de massa do núcleo”, Phys. Rev. Lett. 74, 1071 (1995).
3. S. Aoki et al., “Review of lattice results concerning lowenergy particle physics”, Eur. Phys. J. C 77, 112 (2017); Os quarks não têm uma massa no sentido que o elétron tem. Mas um parâmetro de massa para os quarks ainda pode ser rigorosamente definido com um esquema e escala de renormalização especificados. As massas citadas por Aoki et al. estão no chamado esquema de barras MS a uma escala de 2 GeV.
4. S. Durr et al., “Ab initio determination of light hadron masses”, Science 322, 1224 (2008).
5. A. Bazavov et al., “Up-, down-, strange-, charm-, and bottom-quark masses from four-flavor lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 054517 (2018).
6. K-F. Liu, J. Liang, e Y.-B, Yang, “Redução de variação e decomposição de agrupamento”, Phys. Rev. D 97, 034507 (2018).
7. Y.-B. Yang, M. Gong, J. Liang, H.-W. Lin, K.-F. Liu, D. Pefkou, e P. Shanahan, “Nonperturbatively renormalized glue momentum fraction at the physical pionue mass from lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 074506 (2018).
8. Y.-B. Yang, R. Sufian, A. Alexandru, T. Draper, M.J. Glatzmaier, K.-F. Liu, e Y. Zhao, “Cola gira e helicóptero no próton da malha QCD”, Phys. Rev. Lett. 118, 102001 (2017).
9. C. C. Chang et al., “A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from quantum chromodynamics”, Nature 558, 91 (2018).
10. H.-W. Lin et al., “Parton distributions and lattice QCD calculations: Um livro branco comunitário”, Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

Sobre o Autor

André Walker-Loud é um cientista do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL). Ele recebeu seu Ph.D. da Universidade de Washington, Seattle. Ele então ocupou posições de pós-doutorado em pesquisa na Universidade de Maryland, The College of William & Mary (W&M), e LBNL seguido por uma nomeação conjunta como Professor Assistente de Física em W&M e como Cientista Sênior do Staff da Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Em sua pesquisa, ele usa a malha QCD e a teoria de campo eficaz para obter uma compreensão quantitativa de como a física nuclear emerge da QCD. Ele também está interessado em sondar os limites do modelo padrão testando simetrias fundamentais em ambientes nucleares.

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