Uma colisão ouro-ouro registrada pelo componente Heavy Flavor Tracker (HFT) do detector STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Os pontos brancos mostram "impactos" registrados por partículas que emergem da colisão à medida que atingem os sensores em três camadas do HFT. Os cientistas usam os hits para reconstruir trilhas de partículas carregadas (linhas vermelhas e verdes) para medir a abundância relativa de certos tipos de partículas que emergem da colisão - neste caso, partículas lambda encantadas. Crédito:Colaboração STAR
Os físicos nucleares estão tentando entender como as partículas chamadas quarks e glúons se combinam para formar os hádrons, partículas compostas feitas de dois ou três quarks. Para estudar este processo, chamado hadronização, uma equipe de físicos nucleares usou o detector STAR no Relativistic Heavy Ion Collider - uma instalação do US Department of Energy Office of Science para pesquisas de física nuclear no Brookhaven National Laboratory do DOE - para medir a abundância relativa de certos hádrons de dois e três quark criado em colisões energéticas de núcleos de ouro. As colisões momentaneamente "derretem" as fronteiras entre os prótons e nêutrons individuais que compõem os núcleos de ouro para que os cientistas possam estudar como seus blocos de construção internos, os quarks e glúons, Recombinar.
Os físicos do STAR estudaram partículas contendo quarks "charmosos" pesados, que são mais fáceis de rastrear do que partículas mais leves, para ver como as medições combinaram com as previsões de diferentes explicações de hadronização. As medições, publicado em Cartas de revisão física , revelou muito mais hádrons de três quark do que seria esperado por uma explicação amplamente aceita de hadronização conhecida como fragmentação. Os resultados sugerem que, em vez de, quarks na sopa de partículas densas criada no RHIC se recombinam mais diretamente por meio de um mecanismo conhecido como coalescência.
"Hádrons feitos de dois ou três quarks são os blocos de construção da matéria visível em nosso mundo - incluindo os prótons e nêutrons que constituem os núcleos dos átomos. Mas nunca vemos seus blocos de construção internos - os quarks e glúons - como objetos livres porque quarks estão sempre "confinados" dentro de partículas compostas, "disse Xin Dong, um físico do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) do DOE e um líder desta análise para a Colaboração STAR.
As colisões de íons pesados do RHIC criam um estado da matéria conhecido como plasma de quark-gluon (QGP), uma sopa de partículas quentes que imita o que o universo primordial era, em que os quarks são "desconfinados, "ou libertado, de seus limites normais dentro de partículas compostas chamadas hádrons.
"Ao rastrear as partículas que fluem das colisões do RHIC, podemos explorar o mecanismo de hadronização e como a força nuclear forte mantém os quarks confinados na matéria comum, "disse Helen Caines, professor da Universidade de Yale e co-porta-voz da STAR Collaboration.
Os físicos do STAR mediram hadrons encantados (hadrons contendo quarks "charme" pesados) usando o Heavy Flavor Tracker (HFT) de alta resolução instalado no centro da Câmara de Projeção de Tempo de 4 metros do detector STAR de RHIC.
"O HFT 'amplia' partículas como o lambda encantado com três quarks, que decai a menos de 0,1 milímetro do centro da colisão, "disse o físico do Brookhaven Lab, Flemming Videbaek, o gerente de projeto STAR HFT.
A parte central do Heavy Flavor Tracker (HFT) sendo instalado no detector STAR do Relativistic Heavy Ion Collider. O HFT rastreia partículas feitas de quarks "charme" e "beleza", variedades raras (ou "sabores") que são mais massivos do que os quarks "up" e "down" mais leves que constituem os prótons e nêutrons da matéria comum. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Combinando "acertos" no HFT com medições dos produtos de decaimento mais distantes no detector STAR, os físicos podem contar quantos lambdas encantados com três quark vs. partículas "D-zero" (D0) encantadas com dois quark emergem do QGP.
"Usamos uma técnica de aprendizado de máquina supervisionado para suprimir o grande fundo para a detecção de partículas lambda encantadas, "disse Sooraj Radhakrishnann, um pós-doutorado da Kent State University e do Berkeley Lab que conduziu a análise principal.
Os resultados do STAR contaram lambdas encantadas e partículas D0 em números quase iguais. Isso foi lambdas muito mais encantadores do que havia sido previsto por um mecanismo bem aceito de hadronização conhecido como fragmentação.
"A fragmentação descreve com precisão muitos resultados experimentais de experimentos de física de partículas de alta energia, "Dong disse. O mecanismo envolve quarks ou glúons energéticos" excitando "o vácuo e" dividindo "para formar pares quark-antiquark. Conforme o processo de divisão avança, ele cria uma piscina abundante de quarks e antiquarks que podem se combinar para formar dois e três hádrons quark, ele explicou.
Mas a explicação da fragmentação prevê que menos partículas lambda encantadas do que partículas D0 devem emergir de colisões de íons pesados na faixa de impulso medida no RHIC. A observação do STAR de "aprimoramento de bárions encantados" (resultando em um número quase igual de partículas lambda e D0 encantadas) apóia um mecanismo alternativo para a hadronização. Conhecida como coalescência, esta explicação postula que a densidade da sopa de partículas QGP do RHIC traz os quarks em proximidade o suficiente para permitir que eles se recombinem em partículas compostas diretamente.
"Os resultados do STAR sugerem que a coalescência desempenha um papel importante na hadronização do quark charme em colisões de íons pesados, pelo menos na faixa de momentum medida neste experimento, "Dong disse.
Compreender o mecanismo de coalescência pode oferecer novos insights que ajudam a revelar como os quarks e glúons ficam confinados nos hádrons para construir a estrutura dos núcleos atômicos - o cerne da questão que constitui tudo o que é visível em nosso mundo.
