CERN Photo

Frank Wilczek was a 21-year-old graduate student at Princeton University when hehelped developed this theory of the proton in 1973. No início, ele próprio não percebeu, estava apenas a seguir onde a matemática o levava. “Fizemos os cálculos, mas não tínhamos uma simples compreensão intuitiva”, diz Wilczek. “A imagem física veio mais tarde.”Essa foto tirou um tempo até mesmo para os físicos absorverem, porque não é realmente simples. Mesmo hoje, se você pedir a um físico para descrever um próton, você primeiro terá uma versão de desenho animado—a que diz que um próton é feito simplesmente de três partículas menores chamadas quarks. Essa descrição não é exatamente falsa—é apenas de baixa resolução. É verdade que a imagem de Times Square a 30 mil pés de distância é verdadeira. A realidade de perto, a que Wilczek e os seus colegas vislumbraram há muito tempo, é muito mais louca e estranha.um próton é feito de três quarks, Sim, mas os quarks são infinitesimais—apenas 2% da massa total do próton. Eles estão agitando em torno da velocidade da luz dentro do próton, mas eles estão presos em nuvens cintilantes de outras partículas—outros quarks, que se materializam brevemente e depois desaparecem e, acima de tudo, glúons, que transmitem a força que liga os quarks juntos. Os glúons são massivos e evanescentes, mas carregam a maior parte da energia do próton. É por isso que é mais preciso dizer que os prótons são feitos de glúons em vez de quarks. Protões são pequenas bolhas de cola – mas mesmo essa imagem transmite algo muito estático e substancial. Tudo é fluxo e energia crepitante dentro de um próton.; é como uma tempestade de raios interminável numa garrafa, uma garrafa a menos de .Um trilionésimo de polegada de diâmetro. “É uma estrutura muito rica e dinâmica”, diz Wilczek. “E é muito agradável Termos uma teoria que a pode reproduzir.”

especialmente se você por acaso for um dos caras que inventou a teoria, e se, mais de duas décadas depois, essa teoria está realmente sendo verificada por experiência. Num acelerador de partículas chamado HERA em Hamburgo, na Alemanha, os físicos têm disparado electrões em protões nos últimos oito anos, mostrando o quão insubstanciais os quarks estão lá dentro. Enquanto isso, outros experimentos com aceleradores podem revelar como o universo reuniu todos os seus prótons em primeiro lugar. Em fevereiro, os físicos do CERN, o Laboratório Europeu de Física de partículas fora de Genebra, anunciaram “evidências convincentes” de que eles tinham conseguido derreter um grande número de prótons, criando por um instante o tipo de plasma quark-glúon que existiu um microssegundo após o Big Bang. Todos os protões à volta agora estão congelados daquela sopa. No Brookhaven National Laboratory em Long Island, em Nova Iorque, um novo e mais poderoso acelerador está a preparar-se para cozinhar sopa de quark-gluon diariamente este verão. No próximo ano, os físicos podem ter uma ideia muito melhor de como era o universo quando era mil milhões de vezes mais quente do que a superfície do sol, e quarks e glúons—ainda não presos dentro de protões, dentro de núcleos, dentro de átomos, dentro de nós—podiam jogar livremente nos campos quânticos.

cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que Wilczek e seus colegas inventaram, é um tipo de teoria quântica de Campos, e a teoria quântica de campos para iniciantes é algo assim. Primeiro, E = mc2, como Einstein descobriu. Ou seja, a energia pode ser convertida em massa e vice-versa. Em segundo lugar, o espaço vazio não está vazio: o que chamamos de vácuo está realmente fervendo com todos os tipos de campos de energia, e a energia está constantemente se manifestando como partículas “virtuais” que surgem na existência e então desaparecem novamente em algo menos de um trilionésimo de um nanossegundo. “Não seria muito útil para nós ver esta estrutura do vácuo”, diz Wilczek, que agora é professor no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, onde vive na antiga casa de Einstein. “Isso não nos ajudaria a evitar tigres dentes de sabre ou criar nossos filhos, então a evolução nos ensinou a ignorá-lo. Mas está lá.”

erceiro (e último em nosso primer teoria de campo), quando duas partículas subatômicas exercem uma força uma sobre a outra, elas estão interagindo através de um desses campos de energia, que elas próprias ajudam a criar. Especificamente, eles estão trocando uma dessas partículas virtuais-o quântico do campo quântico. Um elétron, por exemplo, tem uma carga elétrica de -1, e essa carga gera um campo elétrico. Se o elétron está se movendo, como sempre está—girando em seu eixo e orbitando o núcleo atômico—ele gera um campo magnético também; todos os campos magnéticos são finalmente criados pelo movimento de cargas elétricas. Quando duas partículas carregadas interagem-quando, digamos, um elétron é espalhado de um próton em HERA-elas trocam um fóton virtual, o quântico do campo eletromagnético. A teoria que descreve tais interações, inventada por Richard Feynman, entre outros, é chamada eletrodinâmica quântica, ou QED.

em QED cada elétron individual é cercado por uma nuvem de partículas virtuais de curta duração-fótons, mas também outros elétrons emparelhados com pósitrons, seus gêmeos antimatéria carregados positivamente. Esses pares de partículas formam uma tela que parcialmente cancela o campo de elétrons-pelo menos como visto de fora da tela. De dentro da tela, por outro lado, o campo parece mais forte do que você poderia esperar, como uma lâmpada nua uma vez que uma sombra da lâmpada foi removida. “OK, então isso é exibição, e isso é muito fácil de entender”, diz Wilczek. “O que acontece em QCD, dentro do próton, é exatamente o oposto: é anti-criativo. Foi uma surpresa até para nós, por isso não pode ser muito simples. Mas nós chegamos a entendê-lo em termos mais elementares ao longo dos anos.”

the early 1970s, when Wilczek did his pioneering work, was a Headdy time for particle physicists. Seu ar é um pouco diferente do que o resto de nós respira, e QCD estava nele. Alguns anos antes, pesquisadores do Stanford Linear Accelerator Center tiveram pela primeira vez elétrons acelerados para energias altas o suficiente para penetrar prótons. Os elétrons não pareciam estar mergulhando em mush; eles pareciam saltar de nuggets pontiagudos dentro dos prótons. Quarks, que tinha sido postulado em 1964 como entidades puramente matemáticas, começou a parecer como se eles pudessem realmente existir dentro de protões—e a questão de como tudo foi mantido juntos tornou-se urgente e excitante. Enquanto Wilczek e seu conselheiro, David Gross, estavam descobrindo a resposta em Princeton, outro estudante graduado chamado David Politzer estava descobrindo isso independentemente em Harvard. Gross era o velho do trio aos 31 anos. “Tivemos sorte de ter sido jovens”, escreveu ele mais tarde, ” quando podíamos passear pelas praias recém-abertas e pegar as muitas conchas bonitas que a experiência revelou.uma concha era mais estranha do que as outras. Os experimentos de Stanford pareciam mostrar que a força entre quarks—conhecida como força forte—na verdade ficou mais fraca à medida que os quarks se aproximavam. Foi muito estranho. As forças com que nos deparamos diariamente, o electromagnetismo e a gravidade, agem exactamente da maneira oposta: são mais fortes a curtas distâncias da sua fonte e mais fracas a longas distâncias. Essa é a maneira intuitiva; é assim que as coisas devem ser. Caso contrário, por exemplo, os ímãs voariam do seu frigorífico para se agarrar ao distante fogão aliciante—exceto que a partir de uma distância o frigorífico iria começar a parecer bom para eles novamente. E no entanto, fraca como a força forte estava a distâncias muito curtas, era forte o suficiente para frustrar físicos que tinham tentado muito e não conseguiram tirar um quark de um próton. Ninguém tinha conseguido observar um em isolamento.Wilczek and Gross went looking for a quantum field theory that could explain such a force. Na verdade, o Gross esperava que falhassem.; ele queria provar que a teoria do campo era um beco sem saída. Mas um tipo de formalismo matemático, chamado teoria de gauge não-abeliana, ainda não tinha sido tentado. Wilczek passou meio ano preenchendo um caderno com cálculos de como as partículas interagem através de um campo quântico não abeliano. No final, ele tinha uma força que ficou mais forte de perto, como uma boa força deveria, como o Gross esperava—mas ao contrário do que tinha sido medido em Stanford. Wilczek verificou os longos cálculos vezes sem conta. Então Gross viu um sinal de um único mais na equação de campo que deveria ter sido um menos. Essa mudança de sinal mudou tudo: o QCD nasceu.

dentro de um próton, de acordo com QCD, os quarks são “assintoticamente livres”, como os resultados de Stanford sugeriram, o que significa que eles se movem quase como se não houvesse nenhuma força entre eles. Mas a liberdade é uma ilusão: um quark nunca pode escapar aos seus parceiros. À medida que a distância entre eles aumenta, também aumenta a força, e assim um quark rebelde é inevitavelmente contido, como um bungee jumper. É por isso que nunca ninguém viu ou verá um quark solitário, o que, Pensando bem, é profundamente estranho. “O próton tem partes, mas não pode ser desmontado”, diz Alvaro de Rújula, um físico teórico do CERN. “Podes segurar um electrão na tua mão. Não podes segurar um quark ou um gluon na mão.”

a estranheza vem dos glúons. A cromodinâmica quântica, a força que mantém os protões Unidos, é modelada de perto na eletrodinâmica quântica, a força que mantém os átomos juntos—mas os glúons mudam de triagem para anti-Crioulo, intuitivo para bizarro. Na cromodinâmica quântica, quarks carregam um novo tipo de carga, chamada cor—que não tem nada a ver com a cor comum—e essas cargas geram um campo de cor (daí o nome cromodinâmica). O quântico do campo, e o transmissor da força forte, é o glúon. Como o fóton que transmite a força eletromagnética,um glúon não tem massa. Mas ao contrário do fóton, um gluon é carregado. Ele gera seu próprio campo de cores, exerce sua própria força forte, e inércia com outros glúons. Leva uma vida rica.

O campo de cores, como o eletromagnético, pode ser pensado como tendo dois componentes-chamá-los de cor elétrica e cor magnética. Uma carga de cor rápida—glúons movem-se à velocidade da luz-gera um forte campo magnético de cor. Glúons são assim como pequenos ímãs Dipol. Os glúons que rodeiam um quark alinham-se paralelamente ao seu campo de cores, como os ímanes fariam, e assim, em vez de enfraquecê-lo, como as partículas virtuais fazem um campo de elétrons, eles fortalecem-no. Eles protegem o quark, amplificando o campo. Aqui a analogia da lâmpada já não funciona—o quark é um bulbo dim que de alguma forma torna-se mais brilhante fora da sombra.é isso que mantém um próton Unido, e é isso que lhe dá uma estrutura interna bizarra. Se um quark consegue entrar na nuvem de glúon de outro, sente apenas uma fraca atracção. Mas quanto mais longe ele vai, mais ele sente a atração adicional de glúons—glúons emitidos pelos quarks, glúons emitidos por outros glúons, glúons que se materializam em pares quark-antiquark virtuais, que trocam mais glúons. “Os quarks desencadeiam tudo, mas uma vez que começa, é um processo muito poderoso, porque os glúons interagem”, diz Wilczek. “É uma espécie de processo de fuga.”

In 1974, de Rújula, Politzer, Wilczek, and a few other physicists proposed this gluonization of the proton and suggested how it might one day be measured. Duas décadas depois, cientistas da HERA começaram a fazer isso. HERA é um acelerador em forma de anel, cerca de quatro milhas ao redor, em que elétrons fazendo 47.000 voltas por segundo são esmagados em prótons indo para o outro lado. Quanto maior a energia da colisão, mais profundo um elétron pode perfurar um próton antes de ser desviado. Ao medir como o elétron é desviado em milhões de colisões, os físicos podem coletar informações sobre os componentes internos que estão fazendo o desvio. É como tirar uma foto do interior de um próton, diz Wilczek, pixel por pixel—e os resultados se encaixam na proposta que ele e seus colegas fizeram décadas atrás.

“é apenas no nível mais rude que um próton é feito de três quarks”, diz Wilczek. “Quando você olha de perto e entra nessas nuvens e começa a ver a estrutura básica, você vê que é principalmente cola.”

O que torna ainda mais interessante a questão de como o universo alguma vez conseguiu projetar tal coisa.

visitar um laboratório de física de partículas deve ser atingido por um contraste em escala—entre a pequenez dos objetos que estão sendo estudados e a enormidade dos recursos—pessoas, máquinas, energia computacional, energia elétrica, Espaço, dinheiro—que estão sendo dedicados a ele. (Se essa infra-estrutura parece um preço alto a pagar por informações sobre a origem do universo, considere que a Web—projetada para ajudar os cientistas a comunicar arquivos de dados enormes—é uma invenção do CERN. CERN consome quase tanta eletricidade quanto a cidade de Genebra, sua vizinha. O maior acelerador do CERN, o Grande Colisor de electrões-positrões, ocupa um túnel circular a 17 milhas ao redor. Nos próximos anos será desmontado e substituído por um acelerador ainda mais poderoso, O Grande Colisor de Hádrons, que irá recriar a energia que existiu um trilionésimo de segundo após o Big Bang. (Hádrons são partículas nucleares, como prótons, que são feitas de quarks e glúons.) Para fazer um plasma quark-gluon, você não precisa ir tão longe no tempo—o primeiro microssegundo vai fazer—então você precisa de um acelerador menos poderoso.ainda assim, o síncrotron de Super protões no CERN tem mais de quatro milhas ao redor. Está alojado num túnel que se encontra a 90 metros de profundidade, e nesse túnel, dentro de um tubo de alumínio com apenas alguns centímetros de largura, os núcleos de chumbo são acelerados por ímanes a 99,9% da velocidade da luz. Eles são, então, guiados até a superfície e em um imenso, factorylike hall, de 300 metros de comprimento. O tubo de alumínio garfos em diferentes detectores, onde os núcleos de chumbo, cada uma composta por 208 prótons e nêutrons, eletricamente neutro gêmeos de prótons—quebra em um pedaço de folha de chumbo, que está a apenas algumas centenas de micrômetros de espessura.

O Que Acontece a seguir, em teoria, é simples: A colisão cria uma bola de fogo intensa o suficiente para derreter os protões e neutrões. Os quarks e glúons circulam livremente, como fazem dentro de um próton, mas agora sobre uma região que tem muitos prótons de largura, formando um plasma quark-glúon. “Se você executar o filme do Big Bang para trás, ele fica mais denso e o mais denso, mais quente e mais quente”, diz Reinhard Estoque da Universidade de Frankfurt, que ajudou a projetar um dos detectores do CERN, “e sabemos que todas vinculado estruturas de quebrar quando a sua densidade de energia, excede a sua energia de ligação.”A cromodinâmica quântica exige que um plasma quark-glúon exista a uma certa densidade de energia, mas você tem que provar que ele existe”, diz Stock. “E é por isso que estamos aqui há 15 anos.”

O problema é que a bola de fogo de laboratório se expande rapidamente e arrefece rapidamente, assim como a primordial deve ter feito. O plasma sobrevive por apenas 10-22 de um segundo antes que os quarks e glúons se condensem novamente em prótons e outros Hádrons. O que os físicos realmente detectam é uma pulverização de milhares de partículas a sair pela parte de trás da folha de chumbo. No detector de estoque, as partículas então voam através de uma caixa do tamanho de uma sala de gás argônio, derrubando elétrons de átomos de argônio. Contadores registram os elétrons, e computadores reconstruem as faixas de partículas, que revelam sua identidade. Uma vez que os físicos analisaram o dilúvio de dados—cada colisão produz 10 megabytes de dados, e Stock e seus colegas gravaram milhões de colisões—eles podem aprender algo sobre a bola de fogo produtora de plasma.

nos últimos anos, Detectores de estoque e outros no CERN confirmaram que as bolas de fogo são quentes o suficiente e densas o suficiente para produzir plasma quark-gluon. Eles encontraram um excesso de partículas contendo quarks “estranhos” e uma escassez de partículas contendo “charme”—ambos são efeitos colaterais preditos pela cromodinâmica quântica. (Quarks estranhos e quarks de charme são tipos exóticos não encontrados em partículas comuns. Tudo se resume a um caso poderoso de que o CERN tem criado plasma quark-gluon—mas não é uma prova. “O problema é que eles não foram capazes de observá-lo diretamente”, diz Tom Ludlam, um físico do Brookhaven National Laboratory.

Brookhaven Relativístico de Íons Pesados Collider, que está agendado para começar a fazer física neste verão, irá colidir núcleos de ouro em 10 vezes a energia possível, no CERN, e assim alcançar temperaturas que vai permitir que um quark-gluon plasma para sobreviver a um pequeno instante mais. À medida que os quarks arrefecem a partir de um trilião de graus, devem emitir radiação de calor, na forma de fotões de raios gama. Este é o sinal mais direto possível do plasma quark-gluon, e o colisor de Brookhaven deve ser capaz de detectá-lo. Você pode pensar nisso como o flash de luz que o universo emitiu quando todos os seus prótons nasceram.mesmo os cientistas de Brookhaven não serão capazes de responder finalmente à questão de onde os protões vêm. Um mistério central permanecerá. Dentro de um próton, à medida que os glúons vão e vêm, à medida que quarks e antiquarks vão e vêm em seus enxames sem número, um número permanece constante: há sempre mais três quarks do que há antiquarks. Esses são os quarks que,” no nível mais rude”, como diz Wilczek, compõem o próton. Por que são eles matéria e não antimatéria? Porque é que o universo é feito de matéria e não de antimatéria? A resposta vai além da cromodinâmica quântica. Um ligeiro desequilíbrio entre quarks e antiquarks, se Wilczek e outros teóricos estão certos, já estava presente no plasma primordial de quarks-glúons. Compreender a sua origem exigirá aceleradores que alcancem energias ainda mais elevadas, como o Grande Colisor de Hádrons do CERN. Vai exigir novos tipos de teorias—algumas das quais, infelizmente, podem exigir que comecemos a pensar em partículas como pequenos laços de cadeia e do universo como tendo muitas mais dimensões do que as quatro que conhecemos e amamos. à medida que a física evolui, a imagem do próton que a cromodinâmica quântica nos deu pode parecer tranquilizadoramente concreta e sólida—embora sólida seja exatamente o que um próton não é. Voar em um-se você pode imaginar fazer isso, montando a força forte em uma espécie de planador subnuclear – seria como cair através da atmosfera da Terra. A atmosfera superior do próton é um cirro fino de pares quark-antiquark virtuais; eles formam um escudo para o que está abaixo. À medida que você passa por eles, a atmosfera fica mais densa e densa, as nuvens mais espessas e mais espessas. O seu avião é atingido com frequência e força crescentes por relâmpagos de cor-os glúons. E então, talvez quatro quintos do caminho através de sua descida, você emerge da cobertura de nuvens. O passeio está mais calmo agora. Os relâmpagos não desapareceram; eles fundiram-se a uma folha contínua, e de alguma forma você se sente ao mesmo tempo featherlight e imune de todas as forças. Você está perto do centro do próton agora, totalmente preso enquanto você cai na assintota da liberdade total, e você está encontrando . . . não muito.

“Quanto mais você olha, mais você encontra o próton está se dissolvendo em muitas partículas, cada uma das quais está carregando muito, muito pouca energia”, diz Wilczek. “E os elementos da realidade que despoletaram toda a coisa, os quarks, são estas pequenas coisas no meio da nuvem. De fato, se você seguir a evolução para distâncias infinitamente curtas, a carga desencadeante vai para zero. Se estudarmos as equações, torna-se quase místico.”