Físicos nucleares que estudam colisões de partículas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE - têm novas evidências de que partículas chamadas glúons atingem um estado "saturado" constante dentro dos íons em alta velocidade. A evidência é a supressão de pares consecutivos de partículas emergindo de colisões entre prótons e íons mais pesados ​​(os núcleos dos átomos), conforme rastreado pelo detector STAR do RHIC. Em um artigo publicado recentemente em Physical Review Letters , a colaboração STAR mostra que quanto maior o núcleo com o qual o próton colide, maior a supressão nesta assinatura de chave, conforme previsto por modelos teóricos de saturação de glúons.
“Nós variamos as espécies do feixe de íons em colisão porque os teóricos previram que esse sinal de saturação seria mais fácil de observar em núcleos mais pesados”, explicou o físico do Brookhaven Lab Xiaoxuan Chu, membro da colaboração STAR que liderou a análise. "O bom é que o RHIC, o colisor mais flexível do mundo, pode acelerar diferentes espécies de feixes de íons. Em nossa análise, usamos colisões de prótons com outros prótons, alumínio e ouro."

A saturação deve ser mais fácil de ver em alumínio e ainda mais fácil em ouro, quando comparada a prótons mais simples, explicou Chu, porque esses núcleos maiores têm mais prótons e nêutrons, cada um composto de quarks e glúons.

Experimentos anteriores mostraram que quando os íons são acelerados a altas energias, os glúons se dividem, um em dois, para se multiplicar em números muito altos. Mas os cientistas suspeitam que a multiplicação de glúons não pode durar para sempre. Em vez disso, em núcleos que se movem perto da velocidade da luz, onde o movimento relativístico achata os núcleos em "panquecas" de glúons em alta velocidade, os glúons sobrepostos devem começar a se recombinar.

"Se a taxa de dois glúons se recombinando em um equilibra a taxa de divisão de glúons únicos, a densidade de glúons atinge um estado estacionário, ou platô, onde não está subindo ou descendo. Isso é saturação", disse Chu. "Como há mais glúons e mais glúons sobrepostos em núcleos maiores, esses íons maiores devem mostrar sinais de recombinação e saturação mais rapidamente do que os menores", acrescentou.

Procurando pares consecutivos

Para procurar esses sinais, os cientistas do STAR escanearam os dados coletados em 2015 para colisões onde um par de partículas "pi zero" atingiu o espectrômetro de méson direto do STAR em uma configuração back-to-back. Neste caso, back-to-back significa 180 graus um do outro em torno de um alvo circular na extremidade do detector na direção de avanço do feixe de prótons de sondagem. Essas colisões selecionam interações entre um único quark de alta energia do próton de sondagem com um único glúon de baixo momento no íon alvo (próton, alumínio ou ouro).

"Nós usamos o quark do próton como uma ferramenta, ou sonda, para estudar o glúon dentro do outro íon", disse Chu.

A equipe estava particularmente interessada nos glúons de "fração de baixo momento" - a multiplicidade de glúons que cada um carrega uma pequena fração do momento geral do núcleo. Experimentos no acelerador HERA na Alemanha (1992-2007) mostraram que, em alta energia, prótons e todos os núcleos são dominados por esses glúons de baixa fração de momento.

Nas colisões próton-próton, as interações quark-glúon são muito diretas, explicou Chu. "As duas partículas - quark e glúon - se chocam e geram duas partículas pi zero consecutivas", disse ela.

Mas quando um quark do próton atinge um glúon em um núcleo achatado maior, onde muitos glúons se sobrepõem, as interações podem ser mais complexas. O quark – ou o glúon atingido – pode atingir vários glúons adicionais. Ou o glúon pode se recombinar com outro glúon, perdendo toda a "memória" de sua tendência original de emitir um pi zero.

Ambos os processos - espalhamentos múltiplos e recombinação de glúons - devem "manchar" o sinal pi zero back-to-back, explicou Elke Aschenauer, líder do grupo experimental "Cold QCD" do Brookhaven Lab, que explora detalhes da cromodinâmica quântica (QCD), o teoria que governa as interações de quarks e glúons em prótons e núcleos.

"Assim, as colisões próton-próton nos dão uma linha de base", disse Chu. "Nessas colisões não temos saturação porque não há glúons suficientes e não há sobreposição suficiente. Para procurar saturação, comparamos o observável da correlação de duas partículas nos três sistemas de colisão."

Os resultados correspondem à previsão da teoria

Os resultados saíram exatamente como as teorias previam, com os físicos observando o menor número de partículas correlacionadas consecutivamente atingindo o detector nas colisões próton-ouro, um nível intermediário nas colisões próton-alumínio e a correlação mais alta na linha de base próton. - colisões de prótons.

A supressão da correlação pi zero nos núcleos maiores, e o fato de que a supressão fica mais forte quanto maior o núcleo fica, são evidências claras, dizem os cientistas, da recombinação de glúons necessária para atingir a saturação de glúons.

“A STAR acompanhará essas medições coletando dados adicionais em 2024 usando componentes de detectores avançados recentemente atualizados, rastreando outros observáveis ​​que também devem ser sensíveis à saturação”, explicou o físico do Brookhaven Lab Akio Ogawa, membro da colaboração STAR e um participante importante na construindo os novos sistemas de detecção STAR para a frente.

Juntos, os resultados do RHIC também serão uma base importante para medições muito semelhantes no futuro Electron-Ion Collider (EIC), sendo construído em Brookhaven para colidir elétrons com íons.

De acordo com Aschenauer, um dos físicos que apresenta os planos de pesquisa naquela instalação, "Se medirmos isso agora no RHIC, em uma energia de colisão de 200 bilhões de elétron-volts (GeV), isso é muito semelhante à energia de colisão que teremos Isso significa que podemos usar o mesmo observável no EIC para testar se a recombinação e a saturação são propriedades universais dos núcleos, conforme previsto pelos modelos de saturação."

Ver o mesmo resultado em ambas as instalações "provaria que essas propriedades não dependem da estrutura e do tipo de sonda que usamos para estudá-las", disse ela. + Explorar mais

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