Se você subisse no ônibus escolar mágico e começasse a encolher - menor que uma formiga, uma ameba ou uma única célula, e continuasse encolhendo até os átomos únicos serem tão grandes quanto os mundos inteiros, e até as partículas constituintes se elevarem sobre você - você entrar em um mundo borbulhando com pressões enormes e conflitantes.
No centro de um próton, uma pressão maior que a encontrada dentro de uma estrela de nêutrons o levaria para a borda da partícula. Mas nos limites externos do próton, uma força igual e oposta o levaria ao centro do próton. Ao longo do caminho, você seria atingido por forças de cisalhamento que se deslocam de lado, que excedem em muito qualquer coisa que qualquer pessoa possa experimentar em sua vida.
Um novo artigo, publicado em 22 de fevereiro na revista Physical Review Letters, oferece a descrição mais completa ainda das pressões concorrentes dentro de um próton, não apenas em termos de seus quarks - as partículas que dão a um próton sua massa - mas seus glúons, as partículas sem massa que unem esses quarks.
Este estado quântico borbulhante e fervente
Descrições simples de prótons envolvem apenas três quarks mantidos juntos por um monte de glúons. Mas essas descrições estão incompletas, disse Phiala Shanahan, co-autora do estudo, física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
"O próton é composto de um monte de glúons e, na verdade, um monte de quarks", disse Shanahan à Live Science. "Não são apenas três. Há três quarks principais e, em seguida, qualquer número de pares de quarks-antiquark que aparecem e desaparecem ... e são todas as interações complicadas desse estado quântico borbulhante e fervente que geram a pressão."
Shanahan e o co-autor William Detmold, que também é físico do MIT, descobriram que os glúons produzem aproximadamente o dobro da pressão que os quarks dentro de um próton, e que essa pressão é distribuída por uma área mais ampla do que se sabia anteriormente. Eles descobriram que a pressão total de um próton atinge um pico de 100 decilhões (ou 1 com 35 zeros após) pascal - ou cerca de 260 sextilhões (ou 26 com 22 zeros após) vezes a pressão no centro da Terra.
Criticamente, essa pressão aponta em duas direções diferentes.
"Há uma região de pressão positiva, então também deve haver uma região de pressão negativa", disse ela. "Se houvesse apenas uma região de pressão positiva, o próton continuaria a se expandir e não seria estável".
Um cálculo muito grande
Mas, por maiores que sejam essas pressões, não há como os cientistas mensurá-las diretamente na maioria das circunstâncias. Para investigar o interior dos prótons, os cientistas os bombardeiam com elétrons ainda menores, com energias muito altas. No processo, eles mudam os prótons. Nenhum experimento conhecido pode revelar como é dentro de um próton com as baixas energias que eles normalmente experimentam.
Portanto, os cientistas confiam na teoria da Cromodinâmica Quântica (QCD) - que descreve quarks e os fortes gluões que carregam força que os unem. Os cientistas sabem que o QCD funciona porque experimentos de alta energia confirmam suas previsões, disse Detmold. Mas com baixas energias, eles precisam confiar em matemática e cálculos.
"Infelizmente, é muito difícil estudar analiticamente, escrevendo equações com caneta e papel", disse Shanahan.
Em vez disso, os pesquisadores recorrem a supercomputadores que conectam milhares de núcleos de processadores para resolver equações complicadas.
Mesmo com dois supercomputadores trabalhando juntos, os cálculos levaram cerca de um ano, disse ela.
Shanahan e Detmold dividiram o próton em suas diferentes dimensões (três por espaço e uma por tempo) para simplificar o problema que os supercomputadores precisavam resolver.
Em vez de um único número, o mapa de pressão resultante pareceria um campo de setas, todos os tamanhos diferentes e apontando em direções diferentes.
Portanto, a resposta para a pergunta "Qual é a pressão dentro de um próton?" depende muito de qual parte do próton você está perguntando.
Também depende do raio do próton. Se prótons são sacos de glúons e quarks, esses sacos crescem e encolhem dependendo das outras partículas que atuam sobre eles. Portanto, os resultados de Shanahan e Detmold não se resumem a um único número.
Mas agora nossos mapas dos extremos de todos esses minúsculos e ferventes mundos dentro de nós são muito mais vívidos.
