No dia 6 de março de 2020 foi publicado na revista Physical Review Letters o resultado de um experimento de autoria da Colaboração ALICE realizado no Grande Colisor de Hádrons – o LHC (da sigla em inglês para Large Hadron Collider). A publicação sobre o experimento, que tinha como objetivo o estudo da interação entre prótons e um tipo de partículas chamadas de káons, fez uso de um modelo aprimorado por um pesquisador do IFT-UNESP em um de seus trabalhos anteriores, confirmando seus cálculos de quase uma década atrás.

A Colaboração ALICE (do inglês para A Large Ion Collider Experiment) é constituída por pesquisadores de mais de 30 países e destina-se a estudar um estado da matéria chamado plasma de quark-glúons, possível apenas em condições energéticas muito extremas. Quarks são partículas que ligam-se umas às outras através de outro tipo de partícula chamada glúon para formar partículas compostas, como prótons e nêutrons. O plasma de quark-glúons é um estado da matéria na qual prótons e nêutrons se dissolvem e liberam seus constituintes, os quarks e os glúons. Conforme esse plasma esfria e se expande, as ligações entre quarks e glúons se rearranjam e formam novamente as partículas compostas: prótons, nêutrons e outras partículas como os mésons, entre eles os káons. Por isso, embora a ALICE tenha sido criada com o objetivo de estudar o próprio plasma de quark-glúons, os seus experimentos oferecem a oportunidade perfeita para estudar a interação entre essas partículas compostas que são colididas, dissolvidas e rearranjadas no processo de criação do plasma.

ALICE é um detector instalado no LHC para o estudo da matéria em densidades e energias muito elevados. A Colaboração ALICE usa o detector para estudar a formação do plasma de quark-glúons. (Imagem: CERN)

O artigo publicado na Physical Review Letters relata os resultados de um experimento que aproveitou essa oportunidade para analisar a maneira como o káon interage com prótons em meio à essa sopa de partículas em colisão, uma interação ainda muito pouco entendida, considerando a existência de tão poucos dados experimentais sobre ela até então. Os autores do trabalho compararam o novo conjunto de dados com os modelos criados por outros pesquisadores e aquele que melhor se ajustou foi o modelo publicado em um artigo de 2011 pela colaboração entre o físico brasileiro Gastão Inácio Krein, pesquisador do Instituto de Física Teórica da UNESP, e seus colegas: Johann Haidenbauer, do Centro de Pesquisa Jülich, Ulf-G. Meißner, do Centro de Pesquisa Jülich e da Universidade de Bonn, e Laura Tolos, atualmente da Universidade Autônoma de Barcelona.

O Prof. Krein dedica seu trabalho à área de Cromodinâmica Quântica, que é uma teoria de interações fortes, isto é, busca entender as interações entre as partículas que formam os núcleos atômicos. O pesquisador, que por conta da pandemia de COVID-19 retirou-se de São Paulo para continuar seu trabalho remotamente de uma cidade pequena em meio à Serra da Mantiqueira, concedeu entrevista ao ICTP-SAIFR por chamada de voz. Na conversa explica que em seu trabalho de 2011, ele e seus colaboradores não tinham por objetivo desenvolver um modelo para a interação entre prótons e káons, mas sim entre prótons e outro tipo de partícula: o méson-D. Para isso, trabalharam na melhoria de um modelo pré-existente da interação com káons, o chamado modelo de Jülich, e então desenvolveram o modelo para mésons-D de maneira análoga.

Quando perguntado sobre o que tornava possível o desenvolvimento desses dois modelos de maneira análoga, o Prof. Krein diz: “O que muda [de um méson-D para um káon] é o conteúdo de quarks. Enquanto o méson-D tem um quark charme, o káon tem um quark estranho”, explica. Os nomes que o Prof. Krein usa ao se referir aos quarks vêm do Modelo Padrão da Física de Partículas, que é a teoria responsável por descrever as partículas fundamentais que formam a matéria, bem como as forças que regem as interações entre elas. Segundo o Modelo Padrão, existem seis tipos de quarks que diferem entre si pela quantidade de massa e por um tipo de carga que possuem, que os físicos chamam de sabor (flavor, em inglês): up (acima), down (abaixo), charm (charme), strange (estranho), top (topo) e bottom (base). Prótons são formados por dois quarks up e um quark down, enquanto ambos káons e mésons-D são formados por dois quarks (mais especificamente um quark e um antiquark): no caso do méson-D, um dos quarks sempre é um quark charm, enquanto no caso de um káon um dos quarks sempre é um quark strange.

“Estávamos completamente no escuro em relação à interação do méson-D. Agora, como o méson-D só difere do káon porque troca o [quark] estranho pelo charme, pensamos o seguinte: ‘essa interação entre káons e prótons já tem dados experimentais.’ Então retomamos a interação com káons. Tinha certas predições que não haviam sido feitas ainda, então nós as fizemos. E agora a Colaboração ALICE mediu essa interação e comparou com os modelos que existem na literatura – e o nosso passou bem no meio dos dados experimentais! Ficamos muito felizes quando vimos isso porque é raro acertar na mosca assim.” Embora o modelo atualizado pelo Prof. Krein e seus colaboradores não fosse o produto principal de seu trabalho na época, mostrou-se indispensável para o avanço científico em um experimento realizado quase uma década depois. “Agora estamos esperando que algum dia alguém meça a interação do méson-D com o próton também.”

Existe uma série de dificuldades técnicas envolvidas no processo para realizar medidas de alta precisão como as que permitiram a confirmação desse modelo. Para se medir a probabilidade de um káon interagir com um próton, primeiro é preciso criar um káon a partir da colisão entre dois prótons, por exemplo, e então fazer esse káon colidir com um outro próton.  “[Dentro de um acelerador] você pode construir um feixe de prótons. Você tem prótons em abundância [na natureza], ele não decai e vive por muito tempo. Agora, káons não. Eles vivem por muito pouco tempo, decaem muito rápido. São todos experimentos indiretos.” O tempo de vida médio de um káon é de 0,00000001 segundos. “Esse é o grande desafio: você ter toda essa eletrônica, essa criogenia e esses aceleradores para medir isso.”

Todo o investimento técnico direcionado aos estudos dessas interações entre partículas não apenas contribui para complementar o nosso conhecimento do Modelo Padrão de física de Partículas – através do entendimento de como as partículas do núcleo atômico se ligam e interagem entre si – mas também produz diversos subprodutos de utilidade para outras áreas da ciência, como é o caso para a astrofísica: estudos como esses possuem um papel a desempenhar em pesquisas sobre estrelas de nêutrons, objetos astronômicos tão densos que estima-se que seu interior seja um ambiente propício para a ocorrência natural do plasma de quark-glúons e de partículas como káons.

O trabalho realizado pelo Prof. Krein e seus colaboradores, intitulado “DN interaction from meson exchange” publicado em 2011 no The European Physical Journal é em si próprio um exemplo de pesquisa que cria subprodutos intelectuais ou tecnológicos – como é, em geral, o costume da ciência. “Junto com isso tem todo um desenvolvimento tecnológico que tem ramificações para outras áreas, principalmente para a medicina, agricultura e ciências materiais. Essa é a grande coisa que passa despercebida com esses grandes projetos.”, conta o cientista.

Assim como o Prof. Krein, obrigado a lecionar suas aulas remotamente e a continuar seu trabalho como pesquisador longe do Instituto de Física Teórica da UNESP por conta da pandemia, o CERN, que é a Organização Européia para Pesquisa Nuclear que abriga o LHC e os pesquisadores da Colaboração ALICE, entre outros grupos, também encontra-se operando em modo remoto. Desde o dia 20 de março, atividades presenciais foram reduzidas apenas àquelas essenciais para a segurança e cuidado do local e dos equipamentos. “Eu estou aqui escondido e meus alunos na casa deles. Então tem um impacto direto no desenvolvimento do trabalho.”, diz o professor. “Apesar de estarmos nos falando todos os dias, não é a mesma coisa (…) No meu caso, em particular, eu estou sentindo isso agora, e meus alunos também estão sentindo. [Para eles] é a dissertação de mestrado, a tese de doutorado: esse é o primeiro impacto. Aí tem o impacto maior, que é o impacto nos laboratórios (…) Do ponto de vista do pessoal que opera o CERN, eles também estão sendo prejudicados.” Apesar disso, o professor preserva o otimismo de que a ciência levantará mais forte após essa crise. “Talvez a pessoa comum veja o quanto a ciência é importante (…) Quem é que faz a vacina? É um trabalho científico: são os médicos, os biólogos, os químicos. É a ciência que vai trazer essa vacina. Então chama a atenção do público que não pensa muito sobre ciência no seu dia a dia ou não enxerga a importância desse trabalho.”