Novas descobertas do Detector STAR no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) estão desafiando a imagem familiar do que dá aos prótons uma de suas propriedades quânticas definidoras. Os resultados sugerem que os glúons, partículas que atuam como a cola que mantém os quarks unidos, podem desempenhar um papel fundamental na condução e preservação do número bariônico.
A evidência vem de colisões de partículas de alta energia no RHIC, uma instalação de usuário do Departamento de Ciência do Departamento de Energia (DOE) dos EUA para Pesquisa de Física Nuclear, que operou no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE de 2000 ao início de 2026. De acordo com o novo estudo, publicado em CiênciaO número bariônico pode estar relacionado à “junção” em forma de Y dos glúons que conecta os três quarks principais do próton. Se confirmado, desafiaria a crença de longa data de que o número bariónico está exclusivamente relacionado com o dos quarks.
“Tradicionalmente, os cientistas presumiram que cada um dos três principais quarks de ‘valência’ dentro de um próton ou nêutron é responsável por um terço do número bárion”, disse Zhangbu Xu, professor da Kent State University com nomeação conjunta no Brookhaven Lab.
Uma ideia de décadas sobre glúons
Os físicos propuseram pela primeira vez a junção bárion, também chamada de junção glúon, na década de 1970, como uma forma de descrever como os glúons se acoplam aos quarks de valência dentro de um próton. Em 1996, quatro anos antes do RHIC iniciar as operações, Dmitry Kharzeev, físico teórico da Stony Brook University e do Brookhaven Lab, propôs que esta junção poderia fazer algo ainda mais fundamental. A própria junção, em vez dos quarks de valência com número bariônico, pode ser a responsável.
A colaboração STAR desenvolveu agora uma forma de testar essa possibilidade usando uma variedade de colisões que ocorrem no RHIC.
“Usando dados coletados de uma variedade de colisões de partículas no RHIC, nossos resultados mostram que o número bariônico não é obtido simplesmente por quarks individuais”, disse Xu. “Nossas descobertas apoiam fortemente a ideia de que os números bárions são mais favoráveis e são transportados pelos glúons, as partículas que mantêm os quarks unidos, quando dispostos nesta configuração específica”.
Por que o número bariônico é importante
Determinar qual é realmente o número bariônico é muito mais importante do que a estrutura interna de um próton. Nas colisões RHIC, a conservação do número bárion significa que o número total de partículas de três quarks, como bárions, prótons e nêutrons, deve permanecer inalterado antes e depois da colisão. O mesmo princípio de conservação também se aplica à escala do universo.
“Desde o Big Bang, o número de prótons e nêutrons nunca mudou ao longo do tempo”, disse Nicole Lewis, física estelar da Rice University, que iniciou o projeto como pós-doutorado no Brookhaven Lab em 2020.
A conservação do número bariônico também tem consequências muito mais concretas. Isto ajuda a explicar a extraordinária estabilidade dos protões, que formam uma parte central do núcleo atómico e não se desintegram em condições normais.
“Acredita-se que o tempo de vida de um próton seja maior que o tempo de vida do universo”, disse Lewis. “Isso permite que os núcleos atômicos se formem e sejam estáveis – o que significa que a matéria, à medida que interagimos com ela no universo, pode continuar a existir.”
um próton mais complexo
A possibilidade de os glúons terem números bárions derrubaria a descrição simplificada padrão encontrada em muitos livros didáticos. Nessa imagem, um próton tem um número bariônico mais um, dividido igualmente entre seus três principais quarks de valência. Cada quark tem, portanto, um terço do número bariônico mais a carga elétrica do próton distribuída entre seus três quarks de valência.
Mas os prótons reais são muito mais complexos do que esse modelo simplificado.
“No modelo ingênuo de quarks, existem três quarks dentro de um próton, mas nada mais”, disse Tommy Tsang, ex-pós-doutorado na Kent State University, agora no Argonne National Laboratory do DOE. “Mas se olharmos para os detalhes internos, não existem apenas três quarks, mas também muitos glúons interagindo, formando pares entre esses quarks, e também há quarks e antiquarks que saem do vácuo, então é um objeto realmente complexo.”
A cromodinâmica quântica (QCD), a teoria usada para descrever essas interações, tem tido grande 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 pelo RHIC quando os núcleos são dilacerados quase à velocidade da luz.
excesso inesperado de bárions
Uma observação em particular chamou a atenção da equipe STAR. O detector registra repetidamente mais bárions do que antibárions emergindo de colisões perpendiculares à direção do feixe de entrada.
“No detector STAR, vemos consistentemente um excesso de bárions emitidos a partir de colisões perpendiculares à direção dos raios em colisão”, disse Tsang. “O facto de acabarmos com mais bárions do que antibárions – ou mais matéria do que antimatéria – não é surpreendente porque a nossa colisão começa com a matéria”, disse ele.
Estas colisões extremamente energéticas convertem enormes quantidades de energia em milhares de partículas recém-criadas. O que surpreendeu os investigadores não foi apenas o facto de terem sido produzidos mais bárions do que antibárions. Foi aqui que apareceram bárions adicionais.
Se apenas os quarks de valência carregassem o número bárion, todos os três quarks de valência de um próton em colisão seriam obrigados a parar perto do centro do detector para explicar o excesso longe da linha de luz. Eles devem então passar por uma transformação de matéria em energia e de volta em matéria, produzindo novos bárions que se movem perpendicularmente ao feixe.
Os pesquisadores da STAR suspeitaram que poderia haver outra explicação.
Carga elétrica fornece um teste
A equipe encontrou uma maneira de investigar o mistério aproveitando outra propriedade dos quarks de valência: a carga elétrica. Os cientistas compararam os números líquidos de bárions medidos em diferentes colisões nucleares RHIC com a forma como a carga elétrica foi redistribuída nos mesmos eventos.
“Medir a carga eléctrica emitida perpendicularmente à colisão dá-nos uma forma definitiva de medir quantos quarks pararam e se transformaram em novas partículas,” disse o professor Zebo Tang da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, que liderou um grupo de estudantes que conduziu a análise de dados e simulações de modelos.
A comparação revelou uma incompatibilidade surpreendente. Os investigadores produziram cerca de duas vezes mais bárions do que deveriam ter sido produzidos, com base na carga eléctrica associada aos quarks paralisados.
De acordo com modelos baseados em QCD, isto significa que muito poucos quarks estavam a ser bloqueados para dar conta de todos os bárions vistos no detector.
Isso deixou uma questão importante: o que o número bariônico extra carregava?
Os físicos da STAR argumentam que os glúons fornecem uma resposta possível, especificamente a junção glúon tridimensional que conecta os quarks de valência do próton.
Como uma junção de glúons pode mover 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, a “junção glúon” ou “junção bariônica” que conecta os quarks pode ser muito mais fácil de parar em uma colisão do que todos os três quarks.
Se a junção estiver bloqueada, a sua energia pode ser convertida em bárions recém-criados que viajam para fora em direções perpendiculares ao feixe. Enquanto isso, os quarks de valência que estavam previamente ligados à junção podem continuar a se mover ao longo do tubo de luz.
Para entender por que precisamos observar a mudança na estrutura interna do próton à medida que sua energia aumenta.
“A junção bárion está sempre presente, mesmo quando os prótons são acelerados para energias cada vez mais altas”, disse Prithvish Tribedi, físico estelar do Laboratório Brookhaven. “Mas em energias mais altas, os glúons dentro do próton se dividem e se multiplicam.”
À medida que o número de glúons aumenta, o movimento do próton se espalha entre mais deles. Cada glúon individual, incluindo aqueles que formam a junção, carrega uma pequena parte do momento total do próton. O quark de valência, entretanto, continua a carregar a maior parte do impulso direto do próton.
Como resultado, quando ocorre uma colisão, a junção do glúon tridimensional comparativamente lenta deve ser mais fácil de parar e transformar-se em novas partículas do que os quarks que se movem mais rapidamente.
De acordo com Tribedi, também é mais fácil evitar uma estrutura ligada do que evitar três quarks separados, tornando tais interações mais prováveis.
“Na colisão, a junção bárion fica para trás e os quarks continuam a avançar”, disse ele.
Formação de novas partículas após colisão
Quarks e glúons não podem permanecer separados; portanto, após uma colisão, eles se combinam rapidamente com outras partículas.
Num exemplo simplificado, um quark libertado pelo tubo de luz pode combinar-se com um antiquark e formar uma partícula de dois quarks chamada méson. Ao mesmo tempo, a junção tridimensional do glúon pode se comportar como um ímã em forma de Y, puxando três quarks recém-criados para fora do vácuo e gerando um novo bárion.
As colisões reais do RHIC são consideravelmente mais violentas e complexas.
“Mesmo se começarmos com um núcleo que tem cerca de 100 prótons e 100 nêutrons, essas colisões criam milhares de novas partículas; 99% da energia é transformada em novas partículas”, disse Rongrong Ma, físico do Brookhaven Lab.
A equipa do STAR descobriu que as colisões que produzem um grande número de partículas mostraram um excesso de bárions de “midrapididade”, em comparação com previsões baseadas numa imagem mais simples, na qual os quarks transportam apenas o número bárion.
Segundo os investigadores, o facto de muitos destes bárions emergirem perpendicularmente à linha de luz fornece fortes evidências de que a junção bariónica existe e desempenha um papel importante no transporte dos números bárions.
Repensando as propriedades fundamentais da matéria
Os resultados mostram que uma das propriedades quânticas que definem o próton não pode existir apenas nos seus três quarks de valência. Em vez disso, a estrutura dos glúons que conecta esses quarks pode ser central na forma como o número bárion é empurrado através de colisões energéticas.
“A nossa investigação desafia a crença de longa data de que o número bárion é simplesmente dividido entre os três quarks e transportado por eles”, disse Ma. “Esta nova compreensão remodela a forma como pensamos sobre a estrutura da matéria e aprofunda o nosso conhecimento do elemento mais fundamental que é responsável pela forma atual do universo.”
A pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Science, pela National Science Foundation (NSF) dos EUA e por várias agências e organizações internacionais listadas no artigo científico. Os pesquisadores usaram dados científicos e instalações de computação do Brookhaven Lab e o Open Science Grid, juntamente com recursos de computação no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), outra instalação de usuário do DOE Office of Science localizada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE, que é diretamente apoiado pela NSF.
