Um novo resultado da ATLAS Collaboration no CERN estuda as interações de fótons - partículas de luz - com núcleos de chumbo no Large Hadron Collider (LHC). Usando novas técnicas de coleta de dados, os físicos revelaram uma semelhança inesperada com as assinaturas experimentais do plasma quark-gluon.

Quando em operação, o LHC dedica cerca de um mês do ano aos núcleos de chumbo em colisão. Esta configuração dá aos físicos a oportunidade de estudar o plasma quark-gluon (QGP), uma fase intensamente quente e densa da matéria que é criada quando os núcleos colidem de frente. Essas condições extremas imitam as do universo inicial durante os primeiros microssegundos após o Big Bang. O QGP é bem compreendido pelos físicos:ele evolui como um fluido quase perfeito, preservando fielmente a forma geométrica impressa em sua formação em uma série de padrões na distribuição do momento das partículas no final de sua evolução.

Mas o que acontece quando dois núcleos líderes que se aproximam mal se perdem? O núcleo principal, totalmente despojado de seus elétrons circundantes usuais, possui uma grande carga elétrica que pode induzir uma variedade de processos interessantes. O intenso campo eletromagnético de cada núcleo pode ser considerado equivalente a um fluxo de fótons com grandes energias. Esses fótons podem interagir com os fótons que se aproximam do outro núcleo, levando a, por exemplo, processos de espalhamento luz por luz. Além disso, um fóton de alta energia também pode atingir o outro núcleo diretamente, levando a uma colisão "fotonuclear" exótica.

Durante a execução do líder-líder de 2018 do LHC, Os físicos do ATLAS se concentraram nas propriedades únicas dos eventos fotonucleares para coletar uma grande amostra para estudo. Como o núcleo principal participante tem um momento que é dezenas de vezes maior do que o do fóton, os produtos dessas colisões são "impulsionados" (deslocados) na direção do núcleo principal. A exibição de eventos acima mostra a distribuição assimétrica de partículas que resulta nesta situação. Esta característica, O padrão assimétrico permite que os cientistas filtrem com eficiência bilhões de colisões chumbo-chumbo simétricas comuns e encontrem os raros eventos fotonucleares.

Em uma publicação recente, Os físicos do ATLAS ficaram surpresos ao ver que algumas das colisões fotonucleares mais enérgicas mostraram evidências da criação do mesmo QGP quente e denso observado em colisões frontais de chumbo-chumbo! Especificamente, as partículas exibiram uma anisotropia de momento azimutal (v2) no plano transversal. Esta assinatura é tradicionalmente interpretada como evidência da formação de QGP - uma vez que surge de gradientes de pressão que são maiores ao longo de um eixo do QGP do que outro. A Figura 1 mostra que os valores v2 em eventos fotonucleares são comparáveis ​​aos das colisões próton-próton e próton-chumbo. Esses dados oferecem uma sugestão tentadora de que o plasma quark-gluon pode ser formado mesmo nessas espécies exóticas, pequenos sistemas de colisão.

A maioria dos modelos teóricos dessas anisotropias de momento dependem de corpos em colisão feitos de quarks e glúons. Ingenuamente, é surpreendente encontrar tais efeitos em um sistema onde uma das partículas em colisão é um simples, fóton sem estrutura! Contudo, com energias grandes o suficiente, a função de onda do fóton é uma superposição de muitos estados, incluindo alguns que são hadrons (partículas compostas de quarks e glúons). Assim, essas medições fornecem um sistema de colisão com uma estrutura inicial muito diferente das tradicionalmente usadas para estudar o plasma quark-gluon - e servem como um teste para experimentalistas e teóricos.