Espalhamento Inelástico Profundo

Na física de partículas, dispersão profundamente inelástica é o nome dado a um processo utilizado para sondar o interior dos hádrons (particularmente os bárions, como prótons e nêutrons), utilizando elétrons, múons e neutrinos.Foi primeiramente tentado nas décadas de 1960 e 1970 e forneceu a primeira evidência convincente da realidade dos quarks, que até então eram considerados por muitos como um fenômeno puramente matemático. É uma extensão do espalhamento de Rutherford para energias muito mais altas da partícula de espalhamento e, portanto, para uma resolução muito mais fina dos componentes dos núcleos. Henry Way Kendall, Jerome Isaac Friedman e Richard E. Taylor foram laureados conjuntos do Prêmio Nobel de 1990 "por suas investigações pioneiras sobre a dispersão profundamente inelástica de elétrons em prótons e nêutrons ligados, que foram de essencial importância para o desenvolvimento do modelo de quarks na física de partículas".

DESCRIÇÃO

Para explicar cada parte da terminologia, "dispersão" refere-se à deflexão de léptons (elétron, múon, etc.) fora dos hádrons. Medir os ângulos de deflexão fornece informações sobre a natureza do processo. "Inelástica" significa que o alvo absorve alguma energia cinética. Na verdade, nas energias muito altas dos léptons utilizados, o alvo é "estilhaçado" e emite muitas novas partículas. Essas partículas são hádrons e, para simplificar muito, o processo é interpretado como um quark constituinte do alvo sendo "nocauteado" do hádron alvo, e devido ao confinamento de quarks, os quarks não são realmente observados, mas em vez disso produzem as partículas observáveis por hadronização. "Profunda" refere-se à alta energia do lépton, que lhe confere um comprimento de onda muito curto e, portanto, a capacidade de sondar distâncias que são pequenas em comparação com o tamanho do hádron alvo, de modo que ele pode sondar "profundamente dentro" do hádron. Além disso, note que na aproximação perturbativa é um fóton virtual de alta energia emitido pelo lépton e absorvido pelo hádron alvo que transfere energia para um de seus quarks constituintes, como no diagrama adjacente.

Povh e Rosina apontaram que o termo "dispersão profundamente inelástica contra nucleons" foi cunhado quando a subestrutura de quarks dos nucleons era desconhecida. Eles preferem o termo "espalhamento quase elástico lépton-quark".

HISTÓRIA

O Modelo Padrão da física, em particular o trabalho de Murray Gell-Mann na década de 1960, havia sido bem-sucedido em unificar muitos dos conceitos anteriormente distintos na física de partículas em um único esquema relativamente simples. Em essência, havia três tipos de partículas: Os léptons, que eram partículas de baixa massa como elétrons, neutrinos e suas antipartículas. Eles têm carga elétrica inteira. Os bósons de gauge, que eram partículas que trocavam forças. Estes variavam do fóton sem massa e fácil de detectar (o portador da força eletromagnética) aos exóticos (embora ainda sem massa) glúons que carregam a força nuclear forte. Os quarks, que eram partículas massivas que carregavam cargas elétricas fracionárias. Eles são os "blocos de construção" dos hádrons. Eles também são as únicas partículas afetadas pela interação forte. Os léptons haviam sido detectados desde 1897, quando J. J. Thomson havia mostrado que a corrente elétrica é um fluxo de elétrons. Alguns bósons estavam sendo detectados rotineiramente, embora as partículas W+, W- e Z0 da força eletrofraca só fossem categoricamente vistas no início dos anos 1980, e os glúons só fossem firmemente fixados no DESY em Hamburgo por volta da mesma época. Os quarks, no entanto, ainda eram evasivos. Baseando-se nos experimentos inovadores de Rutherford no início do século 20, foram formuladas ideias para detectar quarks. Rutherford havia provado que os átomos tinham um núcleo pequeno, massivo e carregado em seu centro, disparando partículas alfa em átomos de ouro. A maioria passou com pouca ou nenhuma desviação, mas algumas foram desviadas por grandes ângulos ou voltaram diretamente. Isso sugeriu que os átomos tinham estrutura interna e muito espaço vazio. Para sondar os interiores dos bárions, era necessário usar uma partícula pequena, penetrante e facilmente produzida. Os elétrons eram ideais para o papel, pois são abundantes e facilmente acelerados a altas energias devido à sua carga elétrica. Em 1968, no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), elétrons foram disparados contra prótons e nêutrons em núcleos atômicos.Experimentos posteriores foram conduzidos com múons e neutrinos, mas os mesmos princípios se aplicam. A colisão absorve alguma energia cinética, e como tal é inelástica. Isso contrasta com o espalhamento de Rutherford, que é elástico: nenhuma perda de energia cinética. O elétron emerge do núcleo e sua trajetória e velocidade podem ser detectadas. A análise dos resultados levou à conclusão de que os hádrons possuem realmente estrutura interna. Os experimentos foram importantes porque não apenas confirmaram a realidade física dos quarks, mas também provaram novamente que o Modelo Padrão era o caminho correto de pesquisa para os físicos de partículas perseguirem.