A Colaboração Compact Muon Solenóide (CMS), um grande grupo de pesquisadores de diferentes institutos em todo o mundo, recentemente reuniu as primeiras evidências de produção de quark top em colisões núcleo-núcleo. Trabalho deles, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , foi baseado em dados de colisão chumbo-chumbo coletados pelo detector de partículas CMS, no Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN.

Até alguns anos atrás, quando o LHC do CERN tinha acabado de começar a operar, a maioria dos físicos estudando íons pesados ​​(ou seja, núcleos de alta massa que foram totalmente despojados de elétrons para fins de aceleração) estavam céticos sobre a possibilidade de que os quarks top, as partículas elementares mais pesadas conhecidas até hoje, poderia ser estudado em colisões de íons pesados. Na verdade, no momento, ainda não estava claro se o LHC era capaz de sustentar colisões entre íons pesados ​​a uma taxa de colisão suficientemente alta, também conhecido como luminosidade. Recentemente, Contudo, Os especialistas em aceleradores do LHC conseguiram atingir essa taxa e superar as metas de luminosidade iniciais para colisões de íons pesados.

Outra razão pela qual estudar quarks top em colisões de íons pesados ​​parecia menos viável do que em colisões próton-próton (p-p) é que quando o LHC colide íons pesados, a energia cinética máxima de núcleos individuais é consideravelmente menor do que a energia correspondente em colisões p-p. Como a taxa de produção de quark top depende em grande parte da energia de colisão (ou seja, quanto maior a energia, mais fácil é produzir quarks), produzir essas partículas em colisões de íons pesados ​​com base no LHC parecia um desafio.

O LHC também foi configurado para dedicar menos tempo às colisões de íons pesados ​​e mais às colisões p-p, refletindo as prioridades da comunidade de física de partículas. Por exemplo, em um ano, geralmente passa um mês produzindo colisões de íons pesados ​​e seis a sete meses em colisões p-p.

Finalmente, as colisões de íons pesados ​​produzem muito mais partículas do que as p-p mais comuns, o que pode tornar a detecção de partículas e a análise de dados relacionados a íons pesados ​​coletados pelo LHC muito desafiadores. Coletivamente, esses fatores dificultaram e retardaram o estudo dos quarks top em colisões de íons pesados, mesmo que sejam frequentemente identificados em colisões p-p.

Cinco anos atrás, pesquisadores do CERN, Universidade de Jyväskylä, e Instituto de Física de Helsinque publicou as primeiras previsões da taxa de produção de quarks top em colisões de íons pesados. Apesar da taxa relativamente baixa de produção do LHC, eles argumentaram que os quarks top poderiam ajudar a sondar o chamado plasma de quark-gluon (QGP). QGP é um estado da matéria que se acredita ter existido durante o primeiro microssegundo de vida do universo, que também pode residir no núcleo denso das estrelas de nêutrons no universo atual. Este estado da matéria pode ser recriado em configurações de laboratório colidindo íons pesados, como chumbo (Pb).

Os quarks top podem ser úteis tanto para sondar QGP quanto para estudar a distribuição de glúons dentro dos núcleos. Esses dois usos, Contudo, requerem diferentes tipos de colisões, os antigos simétricos (por exemplo, chumbo em chumbo ou Pb-Pb) e os últimos simétricos e assimétricos (por exemplo, prótons em chumbo ou p-Pb). O LHC colide feixes simétricos e assimétricos, mas antes que pudesse ser aplicado a QGP e estudos relacionados ao gluon, os pesquisadores tiveram que provar com um alto grau de confiança que os quarks top podem realmente ser detectados em colisões núcleo-núcleo.

"Em dezembro de 2015, o LHC entregou colisões de Pb-Pb com uma energia cinética de 2,51 TeV por nucleon, significado para a colisão núcleo-núcleo, um total geral (centro de energia de massa por núcleo) de 5,02 TeV, "membros do CMS Collaboration disseram ao Phys.org por e-mail." Este foi um grande passo em relação à primeira execução, mas a luminosidade ainda era muito limitada para fins de estudo de quark top e, como mencionado anteriormente, o tempo de execução de íons pesados ​​foi de apenas um mês. Resumindo, esse conjunto de dados era muito pequeno para reivindicar evidências da produção de quark top. "

Depois que o conjunto de dados coletado em 2015 foi lançado, os pesquisadores realizaram uma série de estudos com o objetivo de reunir evidências da produção de quark top em colisões de íons pesados. Primeiro, eles mediram a produção de quark superior em uma pequena amostra de referência p-p tomada em 2015 na mesma energia do centro de massa de 5,02 TeV, em seguida, eles mediram em colisões de p-Pb registradas em 2016. Em última análise, eles realizaram suas análises em colisões de Pb-Pb.

"Esses novos dados de Pb-Pb foram acumulados no final da Execução 2, em 2018, graças à engenhosidade de nossos colegas aceleradores, que introduziu melhorias na cadeia da fonte de íons Pb até o LHC, e a capacidade do experimento CMS de gravar em fita, a quantidade total de dados de íons pesados ​​fornecidos pelo LHC, "membros do CMS Collaboration explicaram." No geral, isso resultou em uma luminosidade total acumulada aproximadamente quatro vezes maior do que em 2015. O maior conjunto de dados eventualmente ajudou, mas por si só, não teria sido suficiente caso nenhuma melhoria na reconstrução do quark top fosse introduzida. "

Em seu estudo recente, a colaboração CMS combinou duas abordagens experimentais:uma que é afetada pela presença de QGP e outra que é agnóstica a ele. O primeiro desses métodos explora a presença de quarks bottom (ou seja, as versões mais leves dos quarks top). Os quarks bottom podem fornecer dicas da produção de quark top, já que o último quase sempre decai no primeiro. A segunda abordagem, por outro lado, focado exclusivamente no estudo de elétrons e múons (ou seja, parentes mais pesados ​​dos elétrons).

"Este segundo método era menos sensível, mas evitou uma crítica potencial:Temos um conhecimento relativamente impreciso, até aqui, de como o QGP afeta o comportamento dos quarks bottom, e então, em princípio, o primeiro método pode ser influenciado por efeitos ainda desconhecidos, "Andrea Giammanco, ex-coordenador do grupo Top Quark da colaboração CMS, disse a Phys.org. "Como resultado da pequenez do sinal do quark top, o fundo grande (por exemplo, combinações aleatórias de partículas não relacionadas, ou processos induzidos por detector que imitam o sinal), e a complexidade da reconstrução do quark top, a análise foi projetada com alguns recursos exclusivos. "

Inicialmente, a colaboração CMS focou na reotimização de algoritmos de identificação, a fim de alcançar desempenhos comparáveis ​​aos obtidos em colisões p-p, apesar dos desafios associados ao ambiente criado por colisões Pb-Pb. Subseqüentemente, eles usaram algoritmos avançados de aprendizado de máquina, que são ferramentas promissoras para a análise dos dados recolhidos pelo LHC.

Notavelmente, a colaboração do CMS foi a primeira a reunir medições que extraem sinais de quark top com base apenas nas informações de leptões. Além disso, eles usaram uma nova técnica de análise que é inteiramente orientada por dados para estimar cuidadosamente as informações básicas.

"Para evitar qualquer preconceito humano, nosso estudo foi desenhado seguindo um procedimento de análise chamado 'cego', em que os critérios de seleção foram otimizados e corrigidos primeiro usando apenas uma pequena parte inicial dos dados, antes de ser aplicado a todo o conjunto de dados, "Disse Giammanco." No final, a concordância dos resultados das duas abordagens entre eles, com a taxa extrapolada de colisões p-p, e com a expectativa teórica, nos deu confiança nas primeiras evidências concretas da produção de quarks top em colisões núcleo-núcleo. Crucial para este resultado de sucesso também foi a estimativa precisa da luminosidade real, uma tarefa que nossa equipe, com a ajuda do grupo de luminosidade CMS, realizado com alta prioridade, também."

Antes deste estudo recente, o LHC permitiu medições de várias partículas elementares com grandes massas em colisões de íons pesados, tais como portadores massivos da força eletrofraca (isto é, Bósons W e Z). Apesar disso, havia uma falta de evidências para a produção de quark top em colisões de íons pesados, mesmo que as previsões teóricas sugerissem que eles foram produzidos em uma taxa suficientemente alta. Além de reunir as primeiras evidências da produção de quark top em colisões núcleo-núcleo, o estudo recente da colaboração CMS mediu uma taxa de colisão que está alinhada com as previsões teóricas.

"Na realidade, nossa comunidade nunca teve a chance antes de sondar tal regime de energia (ou 'escala de energia') perto da massa do quark superior, colocando a teoria que une núcleons em núcleos, chamada de 'força forte, "sob testes rigorosos, "Georgios K. Krintiras, co-coordenador do Grupo Luminosity da colaboração CMS, disse a Phys.org. "Além disso, processos de física usados ​​até agora, por exemplo, a produção dos bósons W e Z e partículas de luz, os fótons, são sensíveis apenas às propriedades do QGP integrado ao longo de sua vida útil extremamente curta (apenas uma pequena fração de segundo, em termos técnicos, cerca de segundos). Nosso jornal, acompanhando as considerações teóricas recentes para desvendar a estrutura de yoctossegundos do QGP, é apenas a primeira etapa no uso do quark top para fornecer novos insights importantes sobre a estrutura de tempo do meio criado em colisões de íons pesados. "

As análises realizadas pela colaboração do CMS neste estudo recente desviam-se de abordagens de pesquisa bem estabelecidas e podem, assim, abrir novas possibilidades para investigar a dimensão do tempo do QGP. Em última análise, isso poderia provar sua existência ao montar o filme mais curto do mundo de seu desenvolvimento.

"A massa excepcionalmente alta dos quarks top que identificamos define uma nova escala para sondar a estrutura interna dos núcleos também, codificados nas chamadas funções de distribuição de partões nucleares (nPDFs), "Krintiras disse." Nosso conhecimento atual de como os núcleos se comportam dentro de um núcleo é limitado, principalmente por causa da falta de dados nessa escala. "

Os núcleos são compostos de três partículas fundamentais conhecidas como quarks. As interações entre esses quarks, que são mediados por uma classe diferente de partículas conhecidas como glúons, são tão intensos que, teoricamente, nenhuma força externa deve ser capaz de afetar seu comportamento, nem mesmo as forças fortes entre as diferentes partículas dentro de um núcleo.

Pesquisas realizadas no CERN nos anos 80 revelaram que os núcleos ligados a núcleos tendem a se comportar de maneira diferente daqueles que são livres, um achado que foi confirmado por vários estudos subsequentes. Nesta pesquisa anterior, a European Muon Collaboration (EMC) investigou a proporção de dados que eles coletaram sobre o espalhamento de múon por nucléon do ferro e comparou-o com o relacionado ao núcleo muito menor de deutério, alcançando resultados surpreendentes que não corresponderam às suas previsões. De forma similar, pesquisadores do LHC estão investigando a relação entre as medições realizadas durante as colisões de Pb-Pb, comparando-os com aqueles coletados durante as colisões p-p.

"Nesse contexto, o quark top constitui uma sonda teoricamente precisa dos nPDFs de glúon em uma escala pouco explorada, "Krintiras explicou." Conhecimento preciso de nPDFs também é um pré-requisito chave para extrair informações detalhadas sobre as propriedades QGP dos dados experimentais. "

O trabalho recente da colaboração CMS também pode ter implicações importantes para a compreensão e busca de novas físicas. Embora as comunidades de pesquisa que investigam as interações de íons pesados ​​e a nova física normalmente não estejam relacionadas, esta primeira evidência para a produção de quarks top em interações de íons pesados ​​pavimentou o caminho para uma colaboração entre essas duas comunidades físicas.

"Essa busca me inspirou a unir forças com colegas especializados em nova física, para propor uma busca que aproveitasse as características únicas das colisões de íons pesados, e isso pode se tornar possível com execuções de íons pesados ​​especiais no futuro, "Disse Giammanco." Dois anos atrás, organizamos um workshop dedicado, chamado de "íons pesados ​​e setores ocultos, "para o qual convidamos a maioria das pessoas ativas no nicho minúsculo de novas pesquisas de física em íons pesados, mas também especialistas em íons pesados ​​que nunca trabalharam em física nova, novos especialistas em física que nunca trabalharam com íons pesados, e especialistas em aceleradores do LHC para que pudessem nos orientar sobre o que poderia ser possível em termos de desempenho de feixe de íons pesados ​​em execuções futuras do LHC. "

Alguns dos algoritmos sofisticados que a colaboração do CMS desenvolveu para conduzir essa pesquisa estão agora sendo usados ​​como um argumento dentro da comunidade de pesquisa que está em busca de novas físicas. Mais especificamente, está sendo usado atualmente para demonstrar que algumas das limitações fundamentais ou desafios associados às pesquisas por uma nova física podem ser superados.

Em seu trabalho futuro, a colaboração do CMS planeja basear-se em suas descobertas recentes para conduzir pesquisas adicionais para os quarks principais em colisões de íons pesados. Além disso, a equipe gostaria de melhorar ainda mais a eficácia de seus métodos e algoritmos experimentais.

"Em nosso jornal, a chamada 'significância estatística observada' do sinal equivale a 4,0 unidades de 'desvios padrão' (σ), para ambos os métodos, "Krintiras disse." Em outras palavras, se nenhum quarks top foi produzido, ainda haveria uma probabilidade de 0,003% (que é o nível 4σ) de que o sinal surgisse de uma flutuação de fundo. Gostaríamos de diminuir ainda mais essa probabilidade, atingir o limite superior de 5σ que é considerado o padrão para declarar observação em nossa comunidade. "

Para melhorar a significância estatística observada do sinal que detectaram e aumentar a confiabilidade de seus achados, os pesquisadores precisarão primeiro aumentar a luminosidade em sua pesquisa. Na verdade, mesmo que estejam alinhados com as previsões teóricas, os valores da taxa de colisão extraídos em seu artigo recente são ligeiramente menores do que os valores esperados. Aumentar a significância estatística pode ajudar a determinar se essa taxa mais baixa é resultado de flutuações aleatórias ou indica uma tendência sistemática subjacente.

"Apesar do crescente interesse em análises em torno de nPDFs, ainda estamos longe de alcançar uma compreensão detalhada das modificações da estrutura interna nos núcleos ligados, "Krintiras disse." Os dados nucleares do LHC são anunciados como uma virada de jogo, uma vez que fornecem a oportunidade para um formalismo preciso de nPDFs para o núcleo principal, incluindo avanços em nosso conhecimento sobre glúons ligados a partir de medições de quark top. Podemos até prever execuções adicionais no LHC com maior luminosidade utilizável, oferecendo ainda mais a chance de colisão de um ou mais núcleos mais leves do que o chumbo, portanto, preenchendo a lacuna atualmente grande. "

Há também uma complementaridade entre os programas de física no LHC e o planejado Colisor Eletron-Íon (EIC) no laboratório de Brookhaven, respondendo à questão crucial de se nPDFs são funções com aplicabilidade universal. Juntos, espera-se que esses esforços revelem com precisão qual é o arranjo dos quarks e glúons que constituem os prótons e nêutrons dos núcleos.

"Com a maior parte da luminosidade total do programa LHC Pb-Pb ainda a ser registrada na próxima década e as projeções de desempenho promissoras para a futura atualização de alta luminosidade do LHC, ou mesmo futuro, mais poderoso, colisores, também recomendado pela recente atualização da Estratégia Europeia para Física de Partículas, Os principais quark observáveis ​​serão medidos com precisão cada vez maior e até mesmo se tornarão uma sonda precisa do QGP, "Krintiras acrescentou." Isso poderia provar sua existência e tornar possível a montagem do filme mais curto do mundo, e ainda mais, com uma resolução extremamente alta. "

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