Novos resultados de detectores de partículas de precisão no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) oferecem um novo vislumbre das interações de partículas que ocorrem nos núcleos das estrelas de nêutrons e dão aos físicos nucleares uma nova maneira de pesquisar violações de simetrias fundamentais no universo. Os resultados, acabado de publicar em Física da Natureza , só poderia ser obtido em um poderoso colisor de íons, como RHIC, uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisa de física nuclear no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.

As medições de precisão revelam que a energia de ligação que mantém juntos os componentes do núcleo de "matéria estranha" mais simples, conhecido como "hipertritão, "é maior do que o obtido pelo anterior, experimentos menos precisos. O novo valor pode ter implicações astrofísicas importantes para a compreensão das propriedades das estrelas de nêutrons, onde se prevê que a presença de partículas contendo os chamados quarks "estranhos" seja comum.

A segunda medição foi uma busca por uma diferença entre a massa do hipertritão e sua contraparte de antimatéria, o anti-hipertritão (o primeiro núcleo contendo um quark antiestrange, descoberto no RHIC em 2010). Os físicos nunca encontraram uma diferença de massa entre os parceiros matéria-antimatéria, portanto, ver uma seria uma grande descoberta. Seria evidência de violação de "CPT" - uma violação simultânea de três simetrias fundamentais na natureza relativas à reversão da acusação, paridade (simetria de espelho), e tempo.

"Físicos viram violação de paridade, e violação de CP juntos (cada um ganhando um Prêmio Nobel para Brookhaven Lab [-), mas nunca CPT, "disse o físico de Brookhaven Zhangbu Xu, co-porta-voz do experimento STAR do RHIC, onde a pesquisa de hipertritão foi feita.

Mas ninguém procurou violação do CPT no hipertritão e anti-hipertritão, ele disse, "porque ninguém mais poderia."

O teste CPT anterior do núcleo mais pesado foi realizado pela colaboração ALICE no Grande Colisor de Hádrons da Europa (LHC), com uma medição da diferença de massa entre o hélio-3 comum e o antiélio-3. O resultado, mostrando nenhuma diferença significativa, foi publicado em Física da Natureza em 2015.

Alerta de spoiler:os resultados do STAR também não revelam nenhuma diferença significativa de massa entre os parceiros matéria-antimatéria explorados no RHIC, então ainda não há evidências de violação do CPT. Mas o fato de que os físicos do STAR puderam até mesmo fazer as medições é uma prova da capacidade notável de seu detector.

Assunto estranho

Os núcleos de matéria normal mais simples contêm apenas prótons e nêutrons, com cada uma dessas partículas feitas de quarks "up" e "down" comuns. Em hipertritons, um nêutron é substituído por uma partícula chamada lambda, que contém um quark estranho junto com as variedades normais para cima e para baixo.

Essas substituições de matéria estranha são comuns nas condições ultradensas criadas nas colisões do RHIC - e também são prováveis ​​nos núcleos das estrelas de nêutrons, onde uma única colher de chá de matéria pesaria mais de 1 bilhão de toneladas. Isso porque a alta densidade torna menos dispendioso em termos de energia fazer quarks estranhos do que as variedades normais de up e down.

Por essa razão, As colisões RHIC dão aos físicos nucleares uma maneira de perscrutar as interações subatômicas dentro de objetos estelares distantes, sem nunca deixar a Terra. E porque as colisões RHIC criam hipertritões e anti-hipertritões em quantidades quase iguais, eles também oferecem uma maneira de pesquisar violações do CPT.

Mas encontrar essas partículas raras entre os milhares que fluem de cada esmagamento de partículas RHIC - com colisões acontecendo milhares de vezes a cada segundo - é uma tarefa assustadora. Adicione ao desafio o fato de que essas partículas instáveis ​​decaem quase assim que se formam - a centímetros do centro do detector STAR de quatro metros de largura.

Detecção de precisão

Felizmente, os componentes do detector adicionados ao STAR para rastrear diferentes tipos de partículas tornaram a busca relativamente fácil. Esses componentes, chamado de "Rastreador de Sabor Pesado, "estão localizados muito perto do centro do detector STAR. Eles foram desenvolvidos e construídos por uma equipe de colaboradores do STAR liderados por cientistas e engenheiros do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab). Esses componentes internos permitem que os cientistas combinem as trilhas criadas pela decomposição produtos de cada hipertritão e anti-hipertritão com seu ponto de origem fora da zona de colisão.

"O que procuramos são as partículas 'filhas' - os produtos de decomposição que atingem os componentes do detector nas bordas externas do STAR, "disse o físico do Berkeley Lab, Xin Dong. Identificar rastros de pares ou tripletos de partículas filhas que se originam de um único ponto fora da zona de colisão primária permite que os cientistas capturem esses sinais do mar de outras partículas fluindo de cada colisão RHIC.

"Em seguida, calculamos o momento de cada partícula filha de um decaimento (com base em quanto elas se dobram no campo magnético da STAR), e, a partir disso, podemos reconstruir suas massas e a massa da partícula de hipertritão ou anti-hipertritão original antes de decair, "explicou Declan Keane, da Kent State University (KSU). Separar o hipertritão e o anti-hipertritão é fácil porque eles se decompõem em filhas diferentes, ele adicionou.

"Equipe de Keane, incluindo Irakli Chakeberia, especializou-se em rastrear essas partículas através dos detectores para 'conectar os pontos, '", Disse Xu." Eles também forneceram a visualização necessária dos eventos. "

Como observado, compilar dados de muitas colisões não revelou nenhuma diferença de massa entre o hipernúcleo de matéria e antimatéria, portanto, não há evidência de violação do CPT nesses resultados.

Mas quando os físicos do STAR analisaram seus resultados para a energia de ligação do hipertritão, acabou sendo maior do que as medições anteriores da década de 1970 haviam encontrado.

Os físicos do STAR derivaram a energia de ligação subtraindo seu valor para a massa do hipertritão das massas conhecidas combinadas de suas partículas básicas:um deutério (um estado ligado de um próton e um nêutron) e um lambda.

"O hipertritão pesa menos do que a soma de suas partes porque parte dessa massa é convertida na energia que está ligando os três núcleos, "disse Jinhui Chen, colaborador da Fudan University STAR, cujo Ph.D. aluna, Peng Liu, analisou os grandes conjuntos de dados para chegar a esses resultados. "Essa energia de ligação é realmente uma medida da força dessas interações, portanto, nossa nova medição pode ter implicações importantes para a compreensão da 'equação de estado' das estrelas de nêutrons, " ele adicionou.

Por exemplo, nos cálculos do modelo, a massa e a estrutura de uma estrela de nêutrons dependem da força dessas interações. "Há um grande interesse em entender como essas interações - uma forma da força forte - são diferentes entre nucleons comuns e nucleons estranhos contendo, baixa, e quarks estranhos, "Disse Chen." Como esses hipernúcleos contêm um único lambda, esta é uma das melhores maneiras de fazer comparações com previsões teóricas. Isso reduz o problema à sua forma mais simples. "