Em um túnel circular de 27 quilômetros sob a fronteira entre a França e a Suíça, uma colaboração internacional de cientistas realiza experimentos usando o instrumento científico mais avançado do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Ao esmagar prótons que viajam perto da velocidade da luz, os físicos de partículas analisam essas colisões e aprendem mais sobre a composição fundamental de toda a matéria do universo. Nos últimos anos, por exemplo, esses experimentos mostraram dados que levaram ao Prêmio Nobel pela descoberta do Bóson de Higgs.

Agora, uma equipe de físicos de partículas experimentais de alta energia, incluindo vários da Universidade de Kansas, descobriu possíveis evidências de uma quase-partícula subatômica apelidada de "odderon" que, até agora, só existia teoricamente. Seus resultados atualmente são publicados nos servidores de pré-impressão arXiv e CERN em dois artigos que foram submetidos a periódicos revisados ​​por pares.

"Estamos procurando por isso desde os anos 1970, "disse Christophe Royon, Professor Distinto da Fundação no Departamento de Física e Astronomia da KU.

As novas descobertas dizem respeito aos hádrons (a família de partículas que inclui prótons e nêutrons), que são compostos de quarks "colados" com glúons. Esses experimentos específicos envolvem "colisões" em que os prótons permanecem intactos após a colisão. Em todos os experimentos anteriores, os cientistas detectaram colisões envolvendo apenas números pares de glúons trocados entre diferentes prótons.

"Os prótons interagem como dois grandes caminhões que transportam carros, o tipo que você vê na rodovia, "disse Timothy Raben, um teórico de partículas da KU que trabalhou no odderon. "Se aqueles caminhões colidissem juntos, após o acidente você ainda teria os caminhões, mas os carros estariam agora fora, não estão mais a bordo dos caminhões - e também novos carros são produzidos (a energia é transformada em matéria). "

No novo jornal, pesquisadores usando mais energia e observando colisões com mais precisão relatam evidências potenciais de um número ímpar de glúons, sem quaisquer quarks, trocados nas colisões.

"Até agora, a maioria dos modelos pensava que havia um par de glúons - sempre um número par, "disse Royon." Agora medimos pela primeira vez o maior número de eventos e propriedades e em uma nova energia. Encontramos medidas incompatíveis com este modelo tradicional de assumir um número par de glúons. É uma espécie de descoberta que podemos ter visto pela primeira vez, esta troca ímpar do número de glúons. Pode haver três, cinco, sete ou mais glúons. "

Os pesquisadores da KU explicaram que o odderon pode ser visto como a contribuição total proveniente de todos os tipos de troca estranha de glúons. Representa o envolvimento de todos os três, cinco, sete ou outros números ímpares de glúons. Por contraste, o modelo mais antigo assume uma contribuição de todos os números pares de glúons, então inclui contribuições de dois, quatro, seis ou mais glúons pares juntos.

No LHC, o trabalho foi realizado por uma equipe de mais de 100 físicos de oito países usando o experimento TOTEM, perto de um dos quatro pontos no supercollider onde os feixes de prótons são direcionados uns para os outros, fazendo com que bilhões de pares de prótons colidam a cada segundo.

Os pesquisadores da KU disseram que as descobertas fornecem novos detalhes ao modelo padrão da física de partículas, uma teoria da física amplamente aceita que explica como os blocos básicos de construção da matéria interagem.

"Isso não quebra o modelo padrão, mas existem regiões muito opacas do modelo padrão, e este trabalho ilumina uma dessas regiões opacas, "disse Raben.

Os físicos têm imaginado a existência do odderon por muitas décadas, mas até o LHC começar a operar com suas energias mais altas em 2015, o odderon permaneceu mera conjectura. Os dados coletados e apresentados no novo artigo foram coletados a 13 teraeletronvolts (TeV), os cientistas mais rápidos já foram capazes de colidir prótons.

"Essas ideias datam dos anos 70, mas, mesmo naquela época, rapidamente ficou evidente que não estávamos tecnologicamente perto de sermos capazes de ver o odderon, então, embora existam várias décadas de previsões, o odderon não foi visto, "Raben disse.

De acordo com os pesquisadores KU, o experimento TOTEM foi projetado para detectar os prótons que não são destruídos pela colisão, mas apenas ligeiramente desviados. Então, os detectores de partículas TOTEM são colocados a alguns milímetros dos feixes de saída de prótons que não interagiram. Ao comparar os resultados atuais com medições feitas em energias mais baixas usando aceleradores de partículas menos potentes, O TOTEM tem sido capaz de fazer a medição mais precisa de todos os tempos.

Os co-autores compararam a proporção de assinaturas de colisões em várias energias para estabelecer o "parâmetro rho, "uma medida que ajudou a construir evidências para a possível presença de odderons.

"Se você vai para energias realmente altas, existem assinaturas do comportamento de feixes colididos a uma alta energia que pode ser medida, "disse Raben." Mas existem diferentes tipos de assinaturas de crescimento de alta energia. Até agora, só precisamos pensar em um tipo de comportamento de crescimento de alta energia. Essencialmente, essas quantidades podem mudar em função da quantidade de energia. O parâmetro rho está essencialmente medindo a proporção de uma assinatura para outra desse crescimento de alta energia. "

Essa medição do parâmetro rho é devido ao trabalho compartilhado, colaboração e contribuições principais, no hardware dos detectores e, em particular, na análise física, por vários pós-doutorandos e físicos seniores.

Além de Royon, O pessoal da KU envolvido nas novas descobertas do TOTEM inclui o pesquisador de pós-doutorado Nicola Minafra, que ganhou um prêmio de conquista CMS este ano, e os alunos de graduação Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori e Cole Lindsey. Outros pesquisadores da KU que participam do trabalho são Laurent Forthomme, um pesquisador de pós-doutorado também baseado no CERN e trabalhando nos experimentos CMS / TOTEM, e o estudante de graduação Federico Deganutti, que trabalha com Raben na teoria.

"Nossos alunos vêm de muitas nações diferentes, "disse Royon." KU é um trabalho na fronteira de coisas novas, e esperamos grandes resultados nos próximos meses ou anos. Outros esforços de pesquisa incluem a busca por uma dimensão extra no universo, mas, por enquanto, estamos apenas olhando os dados. "

Royon disse que os detectores de tempo rápido do experimento TOTEM usados ​​para medir o tempo de vôo dos prótons no LHC podem ter muitas aplicações na medicina, física espacial com a NASA para medir os raios cósmicos, e dessalinização da água do mar, um conceito que o físico KU está explorando com Mark Shiflett, Professor Distinto da Fundação na Escola de Engenharia KU.