Nosso mundo consiste principalmente de partículas constituídas por três quarks ligados por glúons. O processo de colagem de quarks, chamado hadronização, ainda é mal compreendido. Físicos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências de Cracóvia, trabalhando na Colaboração LHCb, obtiveram novas informações sobre isso, graças à análise de dados únicos coletados em colisões de prótons de alta energia no LHC.

Quando os prótons acelerados para a maior energia colidem uns com os outros no LHC, suas partículas componentes - quarks e glúons - criam um estado intermediário intrigante. A observação de que nas colisões de partículas relativamente simples como prótons, este estado intermediário exibe as propriedades de um líquido, típico para colisões de estruturas muito mais complexas (íons pesados), foi uma grande surpresa. Propriedades desse tipo indicam a existência de um novo estado da matéria:um plasma quark-gluon no qual quarks e gluons se comportam quase como partículas livres. Este líquido exótico esfria instantaneamente. Como resultado, os quarks e glúons se reconectam uns com os outros em um processo chamado hadronização. O efeito disso é o nascimento de hádrons, partículas que são aglomerados de dois ou três quarks. Graças à última análise de dados coletados em energias de sete teraeletronvolts, pesquisadores do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, trabalhando na Colaboração LHCb, adquiriu novas informações sobre o mecanismo de hadronização em colisões próton-próton.

"O papel principal nas colisões de prótons é desempenhado pela forte interação, descrito pela cromodinâmica quântica. Os fenômenos que ocorrem durante o resfriamento do plasma quark-gluon são, Contudo, tão complexo em termos de computação que até agora não foi possível compreender totalmente os detalhes da hadronização. E, no entanto, é um processo de significado fundamental! É graças a isso que nos primeiros momentos após o Big Bang, a maioria dominante das partículas que formam nosso ambiente cotidiano era formada por quarks e glúons, "diz Assoc. Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

No LHC, a hadronização é extremamente rápida, e ocorre em uma área extremamente pequena em torno do ponto de colisão do próton:suas dimensões atingem apenas femtometres, ou milionésimos de um bilionésimo de um metro. Não é de admirar então, que a observação direta deste processo atualmente não é possível. Para obter qualquer informação sobre seu curso, os físicos devem recorrer a vários métodos indiretos. Um papel fundamental é desempenhado pela ferramenta básica da mecânica quântica:uma função de onda cujas propriedades são mapeadas pelas características das partículas de um determinado tipo (é importante notar que embora tenham passado quase 100 anos desde o nascimento da mecânica quântica, ainda existem várias interpretações da função de onda!).

"As funções de onda de partículas idênticas efetivamente se sobrepõem, ou seja, interferir. Se eles forem aprimorados como resultado de interferência, estamos falando sobre correlações de Bose-Einstein, se forem suprimidos - correlações de Fermi-Dirac. Em nossas análises, estávamos interessados ​​nas melhorias, isso é, as correlações de Bose-Einstein. Estávamos procurando por eles entre os mésons pi voando para fora da área de hadronização em direções próximas à direção original dos feixes de prótons em colisão, "explica o estudante de doutorado Bartosz Malecki (IFJ PAN).

O método utilizado foi originalmente desenvolvido para radioastronomia e é denominado interferometria HBT (dos nomes de seus dois criadores:Robert Hanbury Brown e Richard Twiss). Quando usado com referência a partículas, A interferometria HBT permite determinar o tamanho da área de hadronização e sua evolução ao longo do tempo. Isso ajuda a fornecer informações sobre, por exemplo, se esta área é diferente para diferentes números de partículas emitidas ou para seus diferentes tipos.

Os dados do detector LHCb permitiram estudar o processo de hadronização na área dos chamados pequenos ângulos, isto é, para hádrons produzidos em direções próximas à direção dos feixes de prótons iniciais. A análise realizada pelo grupo do IFJ PAN forneceu indicações de que os parâmetros que descrevem a fonte de hadronização nesta região única coberta pelo experimento LHCb no LHC são diferentes dos resultados obtidos para ângulos maiores.

"A análise que forneceu esses resultados interessantes será continuada no experimento LHCb para várias energias de colisão e diferentes tipos de estruturas de colisão. Graças a isso, será possível verificar alguns dos modelos que descrevem a hadronização e, consequentemente, para entender melhor o curso do próprio processo, "resume o Prof. Mariusz Witek (IFJ PAN).

O trabalho da equipe do IFJ PAN foi financiado em parte pela bolsa OPUS do Centro Nacional de Ciência da Polônia.

O Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear (IFJ PAN) é atualmente o maior instituto de pesquisa da Academia Polonesa de Ciências. A ampla gama de estudos e atividades do IFJ PAN inclui pesquisa básica e aplicada, variando de física de partículas e astrofísica, através da física hadrônica, Alto-, médio-, e física nuclear de baixa energia, física da matéria condensada (incluindo engenharia de materiais), a várias aplicações de métodos de física nuclear em pesquisa interdisciplinar, cobrindo física médica, dosimetria, radiação e biologia ambiental, Proteção Ambiental, e outras disciplinas relacionadas. O rendimento médio anual do PAN IFJ abrange mais de 600 artigos científicos no Journal Citation Reports publicado pela Thomson Reuters. A parte do Instituto é o Cyclotron Center Bronowice (CCB) que é uma infraestrutura, único na Europa Central, servir como centro clínico e de pesquisa na área de física médica e nuclear. A IFJ PAN é membro do Consórcio de Pesquisa Marian Smoluchowski Cracóvia:"Matéria-Energia-Futuro", que possui o status de Centro de Pesquisa Nacional Líder (KNOW) em física para os anos de 2012-2017. O Instituto é da categoria A + (nível de liderança na Polônia) no campo das ciências e engenharia.