Ao extrair assinaturas de partículas que decaem apenas décimos de milímetro do centro de uma bola de fogo de um trilhão de graus que imita o universo primitivo, físicos nucleares que esmagam átomos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) estão revelando novos detalhes sobre as partículas fundamentais que compõem nosso mundo.

Colisões de partículas no RHIC - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility localizado no Brookhaven National Laboratory do DOE - recriam regularmente especificações minúsculas de plasma quark-gluon (QGP), uma mistura de quarks e glúons, os blocos de construção fundamentais da matéria visível, que existiu como partículas livres há cerca de 14 bilhões de anos. As colisões liberam os quarks e glúons de seu confinamento dentro de partículas comuns (por exemplo, prótons e nêutrons) para que os físicos nucleares possam estudar suas interações e a força que os mantém unidos no universo hoje.

As novas medidas, descrito em um artigo publicado recentemente em Cartas de revisão física , são os primeiros a vir de uma atualização de precisão para o detector STAR do RHIC conhecido como "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Especificamente, o artigo dá detalhes sobre a primeira medição direta no RHIC de como um tipo de partícula pesada contendo um quark "encanto" é pega no fluxo da bola de fogo em expansão. Essa medição - um testamento das capacidades do HFT - dá aos cientistas uma nova janela para a compreensão das interações das partículas que compõem a sopa subatômica.

"Ao comparar nossas medições com as previsões teóricas que incluem os vários parâmetros que desempenham um papel nessas interações - coisas como o coeficiente de difusão (a rapidez com que os quarks charmes se espalham pelo plasma) e a viscosidade (quão pegajoso é o QGP) - podemos aprender sobre como essas diferentes propriedades se relacionam entre si, e, em última análise, por que o QGP se comporta dessa maneira, "disse o físico de Brookhaven Flemming Videbaek, o gerente de projeto responsável pela fabricação geral do STAR HFT.

Rastreamento de partículas de precisão

Partículas contendo quarks pesados ​​são consideradas sondas ideais para a compreensão do plasma quark-gluon, porque podem interagir de forma diferente com o plasma do que os quarks leves, oferecendo pistas sutis sobre suas propriedades. Mas o QGP cospe partículas contendo quarks pesados ​​apenas raramente, em meio a milhares de outras partículas feitas de variedades mais leves de quarks. As poucas partículas pesadas que emergem decaem em outras partículas quase instantaneamente - meras frações de um milímetro da bola de fogo QGP em que foram criadas. Essa raridade e rápida deterioração tornam as partículas pesadas difíceis de detectar.

STAR's HFT, um dispositivo de rastreamento de última geração agora posicionado no centro do detector do tamanho de uma casa, foi projetado para rastrear as partículas pesadas indescritíveis, mas importantes. Desenvolvido por físicos nucleares do Lawrence Berkeley National Laboratory, o HFT é o primeiro detector de silício em um colisor que usa a tecnologia Monolithic Active Pixel Sensor - a mesma tecnologia usada em câmeras digitais. Os sensores ultrafinos - ao contrário de muitos dos componentes de detecção de partículas do STAR - ficam bem próximos ao tubo de luz central em que ocorrem as colisões. Embora não esteja perto o suficiente para detectar o quark encanto pesado em si, esta localização e a alta resolução do detector (360 milhões de pixels medindo 20 x 20 mícrons cada) permitem que ele capte sinais de decadência das partículas pesadas.

Para este estudo específico, Os físicos do STAR estavam rastreando partículas chamadas kaons e pions que emergem quando as partículas contendo quark charme conhecidas como D-zeros decaem. Um esforço concentrado de muitos grupos da colaboração, incluindo pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Kent State University, e a Universidade de Illinois em Chicago - tornaram essa análise bem-sucedida em pouco tempo.

"Usamos o HFT para procurar kaons e píons que estão muito próximos uns dos outros - em frações de milímetro um do outro - cujos caminhos da colisão emergem de um único ponto que está longe do vértice de colisão, mas não muito longe, cerca de 100-500 mícrons, "Disse Videbaek. Essa é a distância que os D0s viajam antes de decair, ele explicou. Se o kaon e o píon têm a massa e as trajetórias certas emergindo de tal ponto, os cientistas podem concluir que eles se originaram de um D0 naquele local - e usar essas medições para rastrear o surgimento de D0s em todo o QGP.

"A precisão da nossa medição não tem precedentes, "disse Xin Dong, um físico do Berkeley Lab que liderou os pós-doutorandos e os alunos conduzindo a análise de física nos resultados de sabores pesados. "Foi extremamente desafiador devido à interferência de milhares de outras partículas produzidas nas mesmas colisões de íons pesados ​​- um pouco como tirar uma agulha de um palheiro."

Interações de fluxo livre

As descobertas - baseadas em uma análise de dezenas de milhares dessas "agulhas" em 1,1 bilhão de colisões - foram um tanto surpreendentes.

Pense na forma criada quando dois íons de ouro esféricos colidem fora do centro, formando uma sobreposição oblonga - algo como uma bola de futebol em pé. Os físicos do STAR encontraram mais D0s emergindo da parte gorda do "futebol" do que de suas pontas pontiagudas. Este padrão de "fluxo elíptico" era familiar a partir de medições de partículas mais leves emergentes do QGP. Mas os físicos nucleares não esperavam inicialmente que tais partículas pesadas fossem apanhadas no fluxo.

"D0s são criados na primeira parte da colisão, quando os quarks e glúons estão livres, "Videbaek disse." Os físicos não achavam que essas partículas de quark pesado teriam tempo para interagir, ou equilibrar, com o QGP, que existe por apenas uma fração infinitesimalmente pequena de segundo. "

Em vez de, o fato de que os quarks pesados ​​exibem o mesmo fluxo elíptico que as partículas mais leves é uma evidência de que eles estão em equilíbrio, interagindo com os quarks e glúons livres no QGP.

"O tipo de fluxo que observamos para partículas com quarks pesados ​​sugere que suas interações dentro do plasma quark-gluon são tão fortes que os próprios quarks pesados ​​se tornam parte da sopa quark-gluon ', '"disse Dong.

Grazyna Odyniec, líder do Programa de Colisões Nucleares Relativísticas do Berkeley Lab, adicionado, "A descoberta do fluxo elíptico de um quark charme muito massivo é de fundamental importância para a nossa compreensão da dinâmica da fase do plasma do quark-gluon. Ela abre uma ampla gama de especulações teóricas sobre a natureza de um possível mecanismo (ou mecanismos) por trás disso observação."

O físico do Brookhaven Lab e porta-voz da colaboração STAR Zhangbu Xu observou que a capacidade de rastrear o fluxo e a difusão das partículas pesadas dá aos físicos nucleares uma nova maneira de "ver" e estudar as interações dos quarks e glúons que se movem livremente e outras propriedades do QGP - algo análogo ao modo como os cientistas do século passado rastrearam as vibrações dos grãos de pólen na água para aprender sobre suas propriedades.

"Einstein provou em 1905 que átomos e moléculas existem, e que poderíamos usar o chamado movimento browniano dos grãos de pólen para medir as propriedades do fluido e outras constantes físicas fundamentais, "Xu disse." Agora podemos usar os quarks charme como os grãos de pólen para medir o fluxo e outras propriedades do QGP. "