Dentro do próton, 'a coisa mais complicada que se pode imaginar'

• O próton no núcleo atômico é um objeto quântico que revela estruturas internas totalmente diferentes dependendo da configuração experimental, por isso é preciso conectar várias gerações de experimentos de espalhamento para chegar mais perto do quadro completo
• O espalhamento profundamente inelástico de 1967 no SLAC forneceu a primeira evidência de que elétrons colidem com fragmentos pontuais dentro do próton, os quarks, e desde então centenas de experimentos vêm investigando a estrutura interna em mais detalhe
• O modelo de três quarks explica a carga +1 do próton, mas não explica suficientemente seu spin e sua massa, exigindo um quadro mais complexo envolvendo quarks, glúons e antiquarks entrelaçados
• O HERA, com colisões cerca de 1.000 vezes mais energéticas que as do SLAC, observou um mar de quarks e antiquarks de baixo momento, com níveis de momento de 0,005%, reforçando as previsões da QCD
• A análise recente, com aprendizado de máquina, de mais de 5.000 instantâneos do próton ao longo de 50 anos sugere que o quark charm, mais pesado que o próprio próton, pode estar presente de forma mais persistente, o que pode afetar a interpretação do LHC e de neutrinos de raios cósmicos

---

O próton mostra rostos diferentes conforme o experimento

• O próton é a partícula de carga positiva no centro do átomo, mas não pode ser explicado adequadamente como uma “esfera sem características” clássica nem como um simples conjunto de três quarks
• Como objeto quântico, o próton existe como uma névoa de probabilidades até que um experimento force uma forma concreta, e sua aparência observada muda bastante conforme a configuração experimental
• Mike Williams, do MIT, chamou o próton de “a coisa mais complicada que se pode imaginar”, e Richard Milner avaliou que os físicos só agora estão começando a entender esse sistema de forma completa
• A análise de grande escala, publicada em agosto de 2022, encontrou indícios de quarks charm dentro do próton, apesar de eles serem mais pesados que o próprio próton

O SLAC abriu a primeira pista sobre o interior do próton

• Em 1967, o Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, realizou espalhamento profundamente inelástico, disparando elétrons com força suficiente para despedaçar prótons
• Em vez de ricochetear como bolas de bilhar, os elétrons se espalhavam como se tivessem colidido com fragmentos pontuais dentro do próton: os quarks
• Esse resultado se tornou a primeira evidência de que quarks realmente existem, e a descoberta relacionada levou ao Nobel de Física de 1990
• Desde então, os físicos vêm inferindo vários aspectos do interior do próton ao ajustar quão fortemente disparam elétrons e quais partículas recolhem após o espalhamento

Quanto maior a energia, menores as estruturas visíveis

• Elétrons de energia mais alta permitem observar o interior do próton com resolução maior
• Medindo a energia e a trajetória do elétron espalhado, é possível saber se ele colidiu com um quark que carregava uma grande fração do momento total do próton ou apenas uma pequena fração
• Por meio de colisões repetidas, é possível investigar se o momento do próton está concentrado em poucos quarks ou distribuído entre muitos componentes
• Em colisões no nível do SLAC, era frequente obter resultados como se o elétron tivesse atingido quarks com cerca de um terço do momento total do próton, o que se encaixava no modelo de três quarks proposto em 1964 por Murray Gell-Mann e George Zweig

O poder explicativo e os limites do modelo de três quarks

• O modelo de quarks de Gell-Mann e Zweig descreve o próton como dois quarks up e um quark down
  • cada quark up tem carga +2/3
  • o quark down tem carga −1/3
  • somados, formam a carga +1 do próton
• Mas esse modelo falha ao explicar o spin do próton
  • o próton tem spin 1/2
  • os quarks up e down também têm spin 1/2 cada
  • inicialmente, pensava-se que subtrair o spin do quark down dos spins dos dois quarks up produziria o spin 1/2 do próton
  • em 1988, a European Muon Collaboration relatou que a soma dos spins dos quarks era muito menor que 1/2
• Limites também aparecem na massa
  • as massas de dois quarks up e um quark down correspondem a apenas cerca de 1% da massa total do próton
  • o próton contém muito mais do que apenas três quarks simples

O HERA revelou um mar de quarks e antiquarks

• O Hadron-Electron Ring Accelerator, HERA, em Hamburgo, na Alemanha, operou de 1992 a 2007 e fazia elétrons colidirem com prótons com energia cerca de 1.000 vezes maior que no SLAC
• Nos experimentos do HERA, era possível selecionar e analisar até elétrons que ricocheteavam em quarks de momento extremamente baixo, com apenas 0,005% do momento total do próton
• Como resultado, observou-se uma estrutura turbulenta de quarks de baixo momento e seus equivalentes de antimatéria, os antiquarks
• Isso reforçou a cromodinâmica quântica (QCD), desenvolvida nos anos 1970
  • a QCD é a teoria quântica que explica a força forte entre quarks
  • os quarks são ligados por glúons, que transmitem a força
  • quarks e glúons têm três tipos de color charge, indicados como red, green e blue
  • partículas como o próton formam combinações em que essas cores se somam para produzir um branco neutro

O que a QCD mostra sobre colisões fortes e os limites do cálculo

• Segundo a QCD, glúons podem ganhar um aumento momentâneo de energia e se dividir em pares quark-antiquark
• Esses pares passam a carregar momento muito pequeno antes de se aniquilarem novamente, e o HERA detectou esse “mar” temporário de glúons, quarks e antiquarks
• No HERA, quanto menor o momento dos quarks observados, mais desses quarks apareciam, sugerindo que em colisões de energia ainda maior o próton pareceria quase uma nuvem de glúons
• Milner avaliou que os dados do HERA são evidência experimental direta de que a QCD descreve a natureza
• No entanto, a QCD só é fácil de calcular quando a força forte é relativamente fraca
  • a força forte enfraquece quando os quarks estão muito próximos
  • isso vale para pares quark-antiquark de vida curta
  • por outro lado, os três quarks de vida mais longa vistos em colisões suaves, como no SLAC, ficam suficientemente separados para tornar os cálculos muito difíceis
• Frank Wilczek, David Gross e David Politzer esclareceram essa característica da QCD em 1973 e receberam o Nobel 31 anos depois

O quark charm acrescentou uma nova imagem do próton

• A equipe liderada por Juan Rojo analisou mais de 5.000 instantâneos do próton obtidos ao longo dos últimos 50 anos
• A análise usou aprendizado de máquina para inferir o movimento de quarks e glúons dentro do próton, contornando suposições teóricas
• Em colisões relativamente fracas, a maior parte do momento estava ligada aos três quarks familiares: dois quarks up e um quark down
• Mas uma pequena quantidade de momento parecia vir de quarks charm e antiquarks charm
  • quarks charm e antiquarks charm são partículas fundamentais cada um com massa mais de um terço maior que a do próton inteiro
  • com energia suficiente, glúons podem se dividir em qualquer um dos seis tipos de quark, por isso charms de vida curta aparecem com frequência na imagem do “mar de quarks”
• O resultado da equipe de Rojo sugere que o charm pode ter uma presença mais persistente
  • em colisões suaves, o elétron normalmente encontra três quarks leves
  • ocasionalmente, pode encontrar estados raros de molécula de cinco quarks, com algo como quarks up, down e charm de um lado e um quark up com um antiquark charm do outro

Valores de entrada necessários para interpretar o LHC e observações de raios cósmicos

• A composição interna minuciosa do próton pode afetar a interpretação da busca por novas partículas fundamentais no Large Hadron Collider
• No LHC, prótons em alta velocidade colidem entre si e os pesquisadores observam o que emerge, por isso é preciso saber o que havia dentro do próton antes da colisão
• Se quarks charm massivos aparecem de vez em quando, os cálculos de probabilidade de produzir partículas mais exóticas podem oscilar
• Quando prótons de raios cósmicos colidem com prótons na atmosfera terrestre, quarks charm também podem aparecer no momento certo e produzir neutrinos adicionais de alta energia
  • pesquisadores calcularam em 2021 que esse efeito pode despejar neutrinos de energia mais alta sobre a Terra
  • isso pode confundir observadores que buscam neutrinos de alta energia vindos do espaço

Os próximos experimentos mirarão a estrutura 3D e o mapa de spin

• A colaboração de Rojo pretende continuar a exploração do próton procurando um desequilíbrio entre quarks charm e antiquarks charm
• Componentes ainda mais pesados, como o quark top, também podem aparecer em formas muito mais raras e difíceis de detectar
• Físicos do Brookhaven National Laboratory pretendem operar o Electron-Ion Collider na década de 2030 para obter instantâneos de alta resolução do próton após o HERA
• O EIC pode possibilitar a primeira reconstrução 3D do próton
• Também há planos de usar elétrons polarizados para criar um mapa de spin dos quarks e glúons internos
  • isso corresponde, em outro eixo, ao trabalho de mapeamento de momento feito pelo SLAC e pelo HERA
  • isso pode ajudar a restringir a origem do spin do próton e tratar questões fundamentais sobre essa partícula que compõe grande parte do mundo cotidiano

[GN⁺]

Opiniões do Hacker News

• Depois de ler o artigo inteiro, me veio uma ideia meio boba. Como o elétron é uma partícula elementar, ele é “simples” em comparação com o próton, mas o elétron tem carga -e e o próton tem carga +e, de modo que as cargas são exatamente complementares
  Se o próton é algo tão complexo, fico curioso para saber que regra faz com que ele tenha uma carga exatamente oposta à do elétron. Não entendo por que é exatamente +e, e não +1,8e, +3e ou 0,1666e, e também me pergunto se essa pergunta sequer faz sentido
  Entendo que o pósitron tenha +e por ser a antipartícula do elétron, mas é estranho que o próton, embora seja um emaranhado complexo de várias partículas elementares, acabe tendo exatamente +e

  • Entre as respostas dadas até agora, nenhuma é adequada; a resposta correta está em https://physics.stackexchange.com/questions/21753/why-do-ele.... O ponto central é que, por causa do cancelamento de anomalias de gauge, as cargas dos quarks e léptons no Modelo Padrão são forçadas a ter esses valores
    Se você acredita no confinamento de quarks, algo fortemente apoiado por cálculos, teoria e experimentos, então o fato de a carga do próton ser exatamente +1 também decorre naturalmente disso
  • O vídeo do PBS Space Time sobre o universo ajustado finamente trata bem desse tema. A ideia é que, em um universo sem esse equilíbrio, a vida não poderia se formar e, portanto, esta conversa também seria impossível
    Ou há infinitos universos e nós existimos em um que é adequado, ou há apenas um universo e, por acaso, ele deu certo; de qualquer forma, tivemos bastante sorte
    https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
  • Dá para imaginar que há vários pontos de apoio no ar e que objetos estão caindo. Se as coisas que caem sobre os pontos de apoio não se equilibram entre si, eles se inclinam e os objetos continuam caindo, até que, no fim, todos os pontos de apoio entram em equilíbrio
    Essas coisas se aglomeram até ficarem suficientemente estáveis; se existe uma forma estável e há quantidade suficiente delas, no fim muitas formas estáveis surgem. Não é que algo equilibre tudo magicamente, é mais como um processo de assentamento em um estado estável, e ainda há muita matéria instável
  • Isso é chamado de quantização da carga e ainda não é explicado de forma definitiva nem pelas teorias modernas. Claro que há bons argumentos, mas não acho que o caso esteja encerrado no sentido de “necessariamente tem que ser assim”
    Tem relação com a simetria C como simetria discreta, e também há aspectos ligados à invariância de Lorentz
  • Ninguém sabe. Isso faz parte de um grande mistério
    Ainda assim, em certo sentido, “tem que ser” assim. Sem equilíbrio de cargas, os átomos como os conhecemos não existiriam, e tampouco existiria a química que cria o mundo macroscópico em que vivemos

• Não tenho dúvidas de que os físicos quânticos sabem do que estão falando, mas frases como “a aparência muda conforme o modo de sondagem”, “nem dá para imaginar o quão complexo é” e “contém vestígios de quarks charm mais pesados que o próprio próton” soam como desculpas esfarrapadas de um aluno que errou o cálculo para o professor

  • Para enfatizar o quão extremo é esse contraste: a mecânica quântica não é apenas correta como modelo preditivo; ela é a teoria física mais precisa já criada pela humanidade. Os valores medidos têm mais algarismos significativos do que os de qualquer outra teoria
  • Quem escreve textos de divulgação científica sobre esse tipo de assunto está em uma posição parecida com a de um professor. A física real é descrita por matemática complexa e não se traduz bem para um inglês simples
  • Não está errado, mas talvez seja mais parecido com a situação de explicar, no geocentrismo, as trajetórias estranhas que os planetas desenhavam no céu. Só que, aqui, não dá para mudar o modelo usando outro corpo de referência, como o Sol
    Talvez, se pudéssemos observar algo fora do espaço-tempo, houvesse uma superestrutura oculta acessível; mas, até lá, fora especulações, o que temos atualmente é apenas a redução ao espaço-tempo
    (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
  • A mecânica quântica parece uma religião com matemática acoplada. Houve estudos que investigaram se físicos teóricos que usam mecânica quântica no dia a dia concordam com os pressupostos mais básicos da área, e a conclusão foi que eles discordam entre si em praticamente todos os aspectos
    Ao mesmo tempo, cada um presume que sua própria visão está correta e que todos concordam. Em vez de consenso, há facções, que continuam se dividindo mas não conseguem substituir a maioria; há uma ortodoxia como a interpretação de Copenhague; e a forma como se rejeita quem cruza a linha, como Everett, parece mais religião do que ciência
    Outro sintoma é fazer as pessoas dizerem e fazerem coisas obviamente sem sentido para provar sua devoção. No cristianismo, isso é a Trindade; na mecânica quântica, a dualidade onda-partícula cumpre esse papel. Uma partícula pontual com comprimento de onda de quilômetros não faz sentido, mas nos dizem para acreditar que ondas de rádio são feitas de fótons
    Quando as evidências não são suficientes para alinhar todos na mesma direção, o fato de os melhores argumentos de cada tribo se dividirem em “nosso chefe tribal disse que é assim” revela o pensamento mágico e a religiosidade humana

• Ao ler um texto assim, fico com a impressão de que é como bater numa maçã com um martelo, aumentando cada vez mais a força, e então concluir que a maçã é achatada e viscosa. Se bater com mais força, talvez digam que a maçã é fina como papel e quente
  Fico curioso sobre como sabem que algumas das partículas geradas nesses experimentos de colisão não estavam dentro do alvo da colisão, mas também não saltaram do fundo cósmico de micro-ondas

  • Basicamente, você coloca muita energia em um espaço pequeno para excitar os campos subjacentes, e mede as ondas resultantes como partículas. Em certo sentido, não se trata de encontrar partículas que já estavam ali, mas de medir como os campos se comportam em altas energias e em escalas pequenas
  • Eu estava tendo exatamente uma versão nebulosa desse pensamento enquanto lia o artigo. Especialmente na parte: “pesquisadores descobriram recentemente que prótons às vezes contêm quarks charm e antiquarks charm, partículas enormes que, individualmente, são mais pesadas que o próprio próton”
    Os pesquisadores certamente levaram isso em conta, e deve haver uma boa explicação; se eu vou conseguir entendê-la é outra questão
  • Não vem do fundo cósmico de micro-ondas. Ele é fraco demais para isso. Em vez disso, a energia injetada pode criar essas partículas por meio de produção de pares
    Outra coisa estranha são partículas virtuais, que podem surgir mesmo sem energia. Elas são parecidas no sentido de serem manifestações dos mesmos campos quânticos que as partículas de energia real, por exemplo o campo do quark charm, mas diferem porque, por não carregarem energia, não conseguem existir por muito tempo
    O mundo é muito estranho, mas a matemática funciona. Um próton é mais como uma bola de energia fervilhante, na qual os campos quânticos dos quarks up e down ficam “presos” uns aos outros pela complexa força forte de cor e permanecem no mesmo lugar. Há tanta energia ali dentro querendo escapar, mas sem conseguir, que coisas continuam surgindo e desaparecendo

• Estou cada vez mais cansado de expressões do tipo “o próton é um objeto da mecânica quântica que existe como uma névoa de probabilidades até que um experimento o faça assumir uma forma específica”
  Aceito 100% que a mecânica quântica é uma ferramenta útil para modelar nosso entendimento atual com base em observações cada vez mais refinadas, mas acho fundamentalmente difícil acreditar na ideia de que o próton é uma sopa de energia mutante que não se forma até alguém aparecer e pensar nele
  A menos que a realidade seja uma simulação calculada de forma aproximada, com recursos computacionais caros alocados apenas para as partes observadas. E também já estou cansado da hipótese da simulação
  Na prática, suspeito que talvez nós simplesmente não observemos bem o suficiente, ou não existamos em dimensões suficientes para entender o que observamos, de modo que as seções que conseguimos fixar pareçam parte de um sistema probabilístico. Ainda assim, continuo apostando na possibilidade de que tudo isso seja um gigantesco Jogo da Vida

  • Por outro lado, fico um pouco irritado quando as pessoas esperam respostas claras e exatas para perguntas que, em geral, ou melhor, são respondidas por distribuições de probabilidade
    Se pensarmos em experimentos estatísticos do mundo real, como a agulha de Buffon, deve haver algo muito “estatístico” embutido na própria realidade. A mecânica quântica leva isso muito longe, então pode parecer complicada
  • Pessoalmente, passei a achar tudo mais organizado ao enxergar partículas fundamentais apenas como ondas de probabilidade. Medição é apenas interação, e só reformata a onda de modo mais estreito. Mas a partícula nunca vira uma partícula pontual com posição ou momento definidos; ela sempre é, em alguma medida, difusa
    Quando partículas ficam ligadas a objetos macroscópicos, tornam-se mais nítidas e, como resultado, podem tornar mais nítidas outras partículas fundamentais que elas “medem”. Por outro lado, ao interagir com partes mais difusas de um objeto macroscópico, como a borda de uma fenda, a partícula pode ficar mais difusa e mais ondulatória
    Então o próton é realmente uma sopa mutante, e nada além disso. Se você o atinge com força suficiente, ele é perturbado momentaneamente para um estado um pouco mais nítido e lhe conta algo, mas, por causa das interações microscópicas caóticas em seu interior, logo volta a ser sopa
    A matéria só parece nítida no nível macroscópico; no nível das partículas, ela é sempre difusa. Só que a matemática que descreve a troca de energia e momento entre “ondas” difusas parece com bolinhas quicando, então é difícil abandonar a noção de bolinhas. Acho que isso acontece por acaso porque todas as forças têm, em algum grau, simetria esférica
  • A teoria quântica de campos é a teoria física mais bem verificada que a humanidade já desenvolveu, e não é algo como uma “névoa”, como textos de divulgação científica costumam dizer
    Aqui, “névoa de probabilidades” significa que, para fazer previsões experimentais, é preciso calcular repetidamente todas as configurações possíveis que glúons e quarks podem ter dentro do próton
    A carga computacional é absurda, mas, conceitualmente, isso não é melhor nem pior do que dizer que partículas são bolas de bilhar se movendo segundo as equações de Newton. Estamos apenas mais acostumados com esta última ideia, e, ao lidar com coisas como QCD em rede, você também se acostuma completamente com o fato de que a primeira é a regra física subjacente “real”
  • Se entendi corretamente, isso é uma teoria de variáveis ocultas. O teorema de Bell diz que uma teoria desse tipo precisa ser, no mínimo, não local, o que já é estranho e interessante o bastante
  • Pelo que entendo, a função de onda não colapsa apenas quando alguém a observa, mas quando participa de algum evento físico
    A imagem de “uma sopa mutante de energia quântica que não se forma até alguém aparecer e pensar nela” é uma descrição comum na divulgação científica, mas não pode ser literalmente verdadeira. A mecânica quântica já existia muito bem antes de haver pessoas observando e pensando

• Um professor costumava dizer que o próton é uma lata de lixo
  Por isso, colisores de hádrons como o LHC precisam operar com luminosidade muito alta, ou seja, com uma alta taxa de colisões. Mesmo quando dois prótons colidem, as partes que realmente interagem geralmente carregam apenas uma fração muito pequena da energia total, então muitas vezes você não obtém a física interessante de alta energia que queria sondar

• Sobre a frase “na verdade, nem dá para imaginar o quanto é complexo”, talvez alguém tenha conseguido imaginar. Caso contrário, toda essa complexidade teria criado um número enorme de bugs e o universo teria travado

  • Talvez todas as outras instâncias tenham travado, e nós tenhamos tido sorte de sobreviver e estejamos aplicando o princípio antrópico
    A verdadeira pergunta é se estamos rodando em bare metal, em uma máquina virtual ou em um contêiner
  • Isso sempre me pareceu um dos melhores argumentos contra a hipótese da simulação
  • Basta um pouco de abstração. Só não pode ser uma abstração com vazamento

• A imagem do cabeçalho parece boa para usar como papel de parede. O link em tamanho completo é https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...

• Gostei da frase: “o próton é um objeto quântico-mecânico que existe como uma névoa de probabilidades até que um experimento o faça assumir uma forma concreta”
  Será que a gravidade poderia ser o efeito causado por uma massa de forma indefinida? Como uma espécie de vácuo dentro do espaço-tempo?

  • Definitivamente não é algo como um vácuo dentro do espaço-tempo. Para começar, gravidade não é só massa. A gravidade de uma bola de beisebol em movimento é maior que a de uma bola de beisebol parada, e a gravidade de uma bateria carregada é maior que a de uma bateria descarregada
    Mesmo com os mesmos prótons, nêutrons e elétrons, se você mudar a velocidade ou o arranjo, a gravidade aumenta. O ponto central não é uma simples massa, mas o tensor energia-momento
    Para ver que “a gravidade poderia ser um efeito de massa em forma indefinida” não é verdade, basta comparar estrelas e buracos negros com quarks. O espaço entre os quarks funciona como quarks maiores ou menores diferentes, dependendo do arranjo instantâneo dos quarks reais
    Se aplicarmos a mesma ideia a uma estrela muito grande, essa estrela teria de se comportar ora como um buraco negro, ora como uma supernova, ora como uma estrela, dependendo de sua posição, estado e talvez de mudanças espontâneas. Em especial, se estivesse muito distante, pareceria um ponto e, portanto, esperaríamos que se comportasse como um buraco negro, mas na prática não é assim
    Uma estrela parece uma estrela, não importa quão distante esteja. Se a realidade fosse desse jeito, galáxias próximas quase não teriam matéria escura, enquanto galáxias distantes teriam muita matéria escura e seriam muito pequenas; mas, na prática, galáxias e matéria escura são em geral parecidas, independentemente da distância
    Dito isso, a pergunta em si é bastante vaga. Eu a forcei, por diversão, dentro de um enquadramento que rende uma resposta interessante, e não acho que isso responda muito ao que se queria perguntar originalmente
  • Sempre achei que a expressão “experimento” poderia ser dita melhor. Afinal, o objeto que está sendo medido também é uma névoa de probabilidades, e a medição é um processo em que essas duas probabilidades interagem e se modificam mutuamente

• Será que o universo pode ser infinitamente complexo? Algo como tartarugas sem fim, por assim dizer
  Os conceitos de dualidade e replicação na física são muito interessantes. Parece que tudo tem um oposto, que quando esses opostos se encontram formam uma unidade maior, e que essa própria unidade também volta a ter um oposto

  • Eu não “acredito” muito em coisas que não sejam sustentadas por evidências, mas, embora possa parecer ridículo mencionar isso numa discussão dessas, pessoalmente tenho uma crença irracional e não científica de que esta abertura dos Simpsons é, seriamente, o modelo de universo mais preciso que temos
    https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
  • Quando eu era uma criança curiosa, fiz ao meu pai a pergunta no sentido oposto. E se houver uma única lei física fundamental que nos impeça de conhecer tudo sobre o universo?
    Por definição, pode existir algo que não possa mais ser resolvido e contra o qual simplesmente continuamos esbarrando. Será que existe na física algo como o teorema da incompletude de Gödel?

• A complexidade da física fundamental é muito superestimada. Ela apenas não é intuitiva. Mesmo a célula mais simples é várias ordens de grandeza mais complexa do que um próton