Essas partículas portadoras de força são a cola que une a matéria bariônica

Os glúons são os portadores da força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Crédito da imagem: Sefa Kart via Getty Images

Os glúons são nomeados adequadamente porque são a 'cola' que une os quarks para formar prótons e nêutrons. 

Eles são os portadores da força forte, uma das quatro forças fundamentais. Partículas transportadoras de força, como o glúon, bem como o fóton para a força eletromagnética e os bósons W e Z para a força fraca, são todas partículas sem massa com um spin quântico de 1 e são referidos coletivamente como 'bósons de calibre'.

Glúons e quarks estão inextricavelmente ligados. Quarks são as partículas elementares que formam hádrons, que são partículas feitas de dois ou três quarks. Por exemplo, prótons e nêutrons, que formam núcleos atômicos, são hádrons e, portanto, existem por causa de quarks e glúons. Embora estejam conectados com glúons, os quarks diferem porque seu spin quântico é 1/2 e eles têm uma massa, embora pequena (por exemplo, um quark 'up' tem uma massa de 2,01 MeV, e um quark 'down' é ligeiramente mais pesado com uma massa de 4,79 MeV, que são um quinto e metade da massa de um próton, respectivamente; em termos de quilogramas eles são cerca de 3,56 x 10-30kg). O que quarks e glúons têm em comum é que nenhum pode existir como partícula livre e nenhum pode existir sem o outro. 

EVIDÊNCIA DE GLÚONS

Embora os físicos não possam ver glúons individuais, sabemos que eles existem por causa de evidências indiretas que só podem ser explicadas pela presença de glúons.

Gluons foram detectados pela primeira vez em 1979, em um experimento no Positron Electron Tandem Ring Accelerator (PETRA) no Laboratório Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) na Alemanha. PETRA é um anel de 2,3 km de comprimento, um pouco como uma versão em miniatura do grande Colisor de Hádrons, exceto que PETRA acelera léptons, especificamente elétrons e seus equivalentes de antimatéria pósitrons, em vez de prótons e núcleos atômicos.

O túnel do acelerador PETRA no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Crédito da imagem: DESY

Quando a matéria e a antimatéria se unem, ela se aniquila. No caso de esmagar elétrons em pósitrons, o par aniquila e libera um quark e um antiquark. Os dois quarks são incapazes de escapar um do outro, quanto mais eles tentam se afastar, mais forte se torna a força forte entre eles (pelo menos até certo ponto, cerca de 10^-15 m, ou um femtômetro), o excesso de energia armazenada permitindo que o par quark e antiquark decaia, ou 'hadronize', em partículas de hádron que se formam em uma região cônica ao longo das direções de deslocamento do quark e antiquark originais. Essa região cônica de partículas de hádrons é chamada de jato, e uma simples aniquilação elétron-pósitron produziria dois jatos opostos correspondentes ao quark e ao antiquark. 

No entanto, se os glúons forem reais, a aniquilação elétron-pósitron também deve produzir um glúon ao lado do par quark-antiquark, e esse glúon também deve se transformar em um terceiro jato. Para conservar o momento, o glúon levaria parte do momento de um dos quarks, mudando a direção de seu jato para que os jatos hadronizados dos quarks não ficassem mais diretamente opostos um ao outro, enquanto o jato derivado do glúon estaria para um lado. Isso é de fato o que foi visto no experimento PETRA, e também em experimentos subsequentes, confirmando a existência do glúon.

PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE GLUON RESPONDIDAS POR UM ESPECIALISTA

Perguntamos a Markus Diehl, especialista em cromodinâmica quântica do DESY Theory Group, algumas perguntas frequentes sobre glúons.

Markus Diehl

Markus Diehl é especialista em cromodinâmica quântica (QCD), a teoria que abrange as interações de quarks e glúons (a força forte). 

Como sabemos que os glúons existem?

Uma riqueza de medições muito precisas é corretamente explicada por nossa teoria de quarks e glúons. Uma manifestação bastante direta, e historicamente a primeira, de glúons é a produção de três sprays distintos de partículas em colisões elétron-pósitron. Esses eventos com três jatos hadrônicos, como os chamamos, foram observados pela primeira vez no colisor PETRA do DESY em 1979.

Por que os glúons são importantes?

Os glúons são responsáveis ??por unir os quarks e, portanto, pela formação, e muitas propriedades, de prótons e nêutrons, os blocos de construção dos núcleos atômicos.

Gluons e quarks podem ser separados?

Pelo que sabemos, quarks e glúons não podem ser observados como partículas livres, mas dão origem a jatos hadrônicos. Observando atentamente as distribuições das partículas em um jato, pode-se realmente determinar se ele se originou mais provavelmente de um glúon ou de um quark.

CARGA DE COR E CROMODINÂMICA QUÂNTICA

A teoria quântica que governa a física da força forte que é transportada pelos glúons para unir os quarks é chamada de cromodinâmica quântica, ou QCD. Nomeado pelo famoso físico de partículas ganhador do prêmio Nobel Murray Gell-Mann, QCD gira em torno da existência de uma propriedade de quarks e glúons chamada 'carga de cor', conforme descrito por físicos da Georgia State University. Esta não é uma cor real nem uma carga elétrica real (os glúons são eletricamente neutros) - é assim chamada porque é análoga à carga elétrica no sentido de que é a fonte das interações da força forte entre quarks e glúons, assim como a carga é a fonte da interação na força eletromagnética, enquanto as cores são apenas uma forma arbitrária, embora peculiar de distinguir entre diferentes quarks e as interações que eles têm com a força forte via glúons.

Os quarks podem ter uma carga de cor conhecida como vermelho, verde ou azul, e existem versões positivas e negativas (anti) de cada um. Os quarks são capazes de mudar de cor em suas interações, e os glúons conservam a carga de cor. Por exemplo, se um quark verde muda para um quark azul, o glúon deve ser capaz de carregar uma carga de cor verde-azul. Contabilizar todas as diferentes combinações de cor e anticor significa que deve haver 8 glúons diferentes no total, conforme descrito por John Baez. Compare isso com a força eletromagnética, que opera sob a teoria da eletrodinâmica quântica (QED), na qual existem apenas duas cargas possíveis, positivas ou negativas. A Cromodinâmica Quântica (QCD) é muito mais complexa que QED! 

O PLASMA QUARK-GLUON

Não é estritamente verdade que glúons e quarks não possam ser separados, mas isso requer condições muito extremas que não existem na natureza desde as primeiras minúsculas frações de segundo após o Big Bang.

Alguns trilionésimos de segundo após o Big Bang, a temperatura do minúsculo universo ainda era imensa em mil trilhões de graus. Durante esse tempo, antes mesmo de qualquer hádron ter se formado, o universo infantil foi preenchido com uma sopa de quarks e glúons livres conhecida como plasma de quark-glúon (mais léptons como neutrinos e elétrons). Como o universo era tão quente, os quarks e glúons estavam girando soltos na velocidade da luz, ricocheteando um no outro com muita energia, mesmo para a força forte prendê-los.

O universo esfriou muito rapidamente à medida que se expandia e, no primeiro milionésimo de segundo, a temperatura caiu o suficiente, para 2 trilhões de graus, permitindo que a força forte unisse quarks e glúons para formar os primeiros hádrons.

É possível replicar o plasma primordial de quark-gluon em experimentos de aceleradores de partículas, como os do CERN ou do Relativistic Heavy Ion Collider no Brookhaven National Laboratory.

Uma visualização de dados de colisões de partículas no Large Hadron Collider no CERN. Crédito da imagem: CERN

Os núcleos atômicos de elementos pesados, como ouro ou chumbo, são esmagados quase à velocidade da luz, resultando em uma bola de fogo em miniatura que, por um breve momento, é quente o suficiente para dissolver hádrons em um plasma de quark-gluon. 

Quase instantaneamente a bola de fogo esfria e os quarks e glúons se recombinam para formar jatos de hádrons, incluindo mésons que consistem em dois quarks e bárions que são feitos de três quarks. O plasma quark-gluon é extremamente denso e, muitas vezes, os jatos de hádrons lutam para passar e perder energia. Os físicos chamam isso de 'extinção', conforme descrito por físicos do CERN, e a quantidade de extinção, bem como a distribuição geral e a energia dos jatos, podem fornecer grandes informações sobre as propriedades do plasma quark-gluon. Por exemplo, os físicos aprenderam que ele se comporta mais como um fluido perfeito que flui com viscosidade zero do que como um gás. Ao aprender sobre propriedades como essas, recriar o plasma de quark-gluon em aceleradores de partículas pode dar aos cientistas uma janela de volta no tempo para o próprio nascimento do universo e as consequências imediatas do Big Bang, quando a matéria surgiu pela primeira vez.

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RECURSOS ADICIONAIS

Leia a história da descoberta dos glúons em 1979, contada pelos físicos do DESY Ilka Flegel e Paul Söding no CERN Courier. Conheça a história da QCD, contado por um de seus pioneiros, Harald Fritzsch. Explore quarks e glúons com mais detalhes com esses recursos do Departamento de Energia. Explore a descoberta do glúon e viaje no tempo até os anos 70 com este artigo da DESY.

BIBLIOGRAFIA

Física de partículas, por Brian R. Martin (2011, One-World Publications)

Origins of the Universe: The Cosmic Microwave Background and the Search for Quantum Gravity, de Keith Cooper (2020, Icon Books)

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Referência:

COOPER, Keith. What are gluons? Space, Nova York, 29, jan. 2023. References. Disponível em: <https://www.space.com/gluons-carriers-strong-force-explained>. Acesso em: 01, fev. 2023.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.