Físicos descobrem que os glúons carregam o “DNA” do próton — e não os quarks como se pensava

Prepare-se para reescrever os livros de física de partículas. Um estudo inédito liderado pela Colaboração STAR, no acelerador RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) do Brookhaven National Laboratory (EUA), acaba de abalar uma das ideias mais fundamentais sobre a estrutura do próton. Publicado na renomada revista Science, o trabalho traz a primeira evidência experimental de que o número bariônico — uma propriedade quântica que define a identidade do próton e distingue matéria de antimatéria — não é carregado pelos três quarks de valência, mas sim por uma estrutura de glúons em forma de Y chamada “junção bariônica” (baryon junction) .

Três experimentos, uma única conclusão

Para chegar a essa conclusão, a equipe do STAR não se apoiou em um único resultado. Foram realizadas três medições independentes e robustas :

1. Colisões de isóbaros (Ru+Ru versus Zr+Zr): ao comparar colisões de rutênio e zircônio — núcleos com o mesmo número de massa, mas diferentes números de prótons —, os cientistas puderam isolar o efeito do número bariônico.
2. Colisões fóton-ouro (γ+Au): nessa configuração, um fóton de alta energia colide com um núcleo de ouro, permitindo rastrear o transporte do número bariônico de forma limpa.
3. Colisões chumbo-chumbo (Au+Au): a produção de prótons em colisões frontais entre núcleos de ouro também foi analisada.

Em todos os casos, a quantidade de bárions (partículas como prótons e nêutrons) transportada para a região central do detector foi significativamente maior do que o previsto se fossem apenas os quarks de valência carregando a propriedade .

O que é essa “junção de glúons”?

A hipótese da “junção de glúons” (ou string junction) foi proposta na década de 1970, mas nunca havia sido confirmada experimentalmente. A ideia central é que, dentro do próton, três “cordas” de campo glúonico se encontram em um ponto comum, formando uma estrutura tridimensional (em Y) que carrega o número bariônico completo (B=1) e carga elétrica zero . Enquanto isso, os três quarks de valência (up, up, down) ficariam nas extremidades dessas cordas, cada um carregando uma fração — individualmente, eles teriam B=1/3, mas a soma daria B=1.

Pois bem: os dados do STAR mostram que, em colisões de alta energia, essa junção glúonica é freada com muito mais facilidade do que os quarks de valência. Enquanto os quarks seguem em frente, a energia da junção se transforma em novos bárions que são lançados perpendicularmente ao feixe . Esse comportamento só faz sentido se o número bariônico estiver de fato ancorado na estrutura glúonica, e não nos quarks.

Implicações de tirar o fôlego

A descoberta vai muito além de uma correção em um diagrama de livro texto. Ela toca em questões fundamentais da física:

• A natureza da matéria comum: o resultado mostra que os glúons não são meros “cola” que mantêm os quarks unidos; eles podem ser o lócus primário de um número quântico conservado. Isso dá à matéria glúonica um papel muito mais direto na estabilidade da matéria ordinária .
• O mistério matéria-antimatéria: o transporte do número bariônico desde o início do Universo é um dos ingredientes-chave para explicar por que vivemos em um Universo de matéria, e não de antimatéria. O novo mecanismo de “frenagem” da junção de glúons pode fornecer uma peça que faltava nesse quebra-cabeça .
• Novos estados exóticos da matéria: a confirmação da junção bariônica abre caminho para a busca de configurações ainda mais exóticas previstas pela QCD (cromodinâmica quântica), como os “glueballs de bariônio” e as chamadas “bolas de fulereno” glúonicas (gluonic buckyballs) .

“Os dados não apenas descartam a visão tradicional de que cada quark de valência carrega um terço do número bariônico, como também fornecem a primeira evidência direta de que a estrutura topológica do campo de glúons é quem guarda essa informação quântica essencial”, explicam os pesquisadores .

Um marco para o RHIC e para a física

O RHIC, localizado em Long Island (Nova York), é o único colisor de íons pesados dos Estados Unidos e tem um histórico de descobertas transformadoras — como a observação do plasma de quarks e glúons no início dos anos 2000. Agora, com esse resultado, ele reafirma seu papel como laboratório de ponta para desvendar a estrutura mais íntima da matéria .

O artigo completo intitulado “Tracking the baryon number with nuclear collisions” foi publicado na Science e está disponível na íntegra no arXiv .

A física de partículas ganhou um novo capítulo. E, desta vez, quem rouba a cena são os glúons.