Cientistas que estudam colisões de partículas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) revelaram como certos jatos de partículas perdem energia à medida que atravessam a forma única de matéria nuclear criada nessas colisões. Os resultados, publicados na Revisão Física C , deve ajudá-los a aprender sobre as principais "propriedades de transporte" dessa sopa de partículas quentes, conhecida como plasma de quark-glúon (QGP).
“Ao observar como os jatos de partículas diminuem à medida que se movem pelo QGP, podemos aprender sobre suas propriedades da mesma forma que estudar como os objetos se movem na água pode dizer algo sobre sua densidade e viscosidade”, disse Raghav Kunnawalkam Elayavalli, pós-doutorando. bolsista da Universidade de Yale e membro da colaboração do experimento STAR do RHIC.

Mas há várias maneiras pelas quais um jato pode perder energia - ou ser "apagado". Portanto, pode ser difícil dizer qual dessas causas está criando o efeito de extinção.

Com as novas descobertas, pela primeira vez, a STAR identificou uma população específica de jatos para os quais os físicos dizem que podem identificar distintamente o mecanismo:quarks individuais emitindo glúons à medida que interagem com o QGP.

Os teóricos podem agora usar os dados para refinar seus cálculos descrevendo as propriedades fundamentais da sopa de quarks quente.

“Os jatos são muito úteis porque dizem como esses quarks interagem consigo mesmos”, disse Kolja Kauder, outra autora principal da análise, que é física do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, onde o RHIC está localizado. "Esta é a essência da 'cromodinâmica quântica' - a teoria que descreve as interações de força nuclear forte de quarks e glúons. Estamos aprendendo mais sobre essa força fundamental da natureza estudando como esses jatos são extintos."

No início

A força forte desempenha um papel importante na construção da estrutura de tudo o que vemos no universo hoje. Isso porque toda a matéria visível é feita de átomos com prótons e nêutrons em seu núcleo. Essas partículas, por sua vez, são compostas de quarks, que são mantidos juntos pela troca de partículas transportadoras de força forte – os glúons semelhantes a cola.

Mas os quarks nem sempre estavam unidos. Os cientistas acreditam que quarks e glúons se libertaram muito cedo no universo, um mero microssegundo após o Big Bang, antes que a sopa primordial de blocos de construção fundamentais da matéria esfriasse o suficiente para que prótons e nêutrons se formassem. O RHIC, uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA do Escritório de Ciência para pesquisa em física nuclear, foi construído para recriar e estudar esse plasma de quark-glúon.

O RHIC recria a sopa de quarks do universo primitivo, direcionando os núcleos de átomos pesados, como o ouro, para colisões frontais quase à velocidade da luz. A energia liberada cria milhares de novas partículas subatômicas, incluindo quarks (lembre-se que a energia pode criar massa e vice-versa através da famosa equação E=mc ² ). Também "derrete" os limites dos prótons e nêutrons individuais para libertar os quarks e glúons internos.

Os cientistas vêm rastreando como diferentes tipos de partículas fluem através do plasma de quark-glúon resultante por mais de duas décadas. Estes incluem sprays colimados, ou jatos, de partículas que resultam da fragmentação de um quark ou glúon. Os cientistas geralmente descobriram que partículas e jatos de alto momento perdem energia quando atravessam a bolha de QGP quente. Por meio deste novo estudo, eles identificaram detalhes de um mecanismo específico para extinção de jatos em um subconjunto de jatos.

Acompanhamento de 'dijets' em diferentes ângulos

Este estudo se concentrou especificamente em jatos de partículas produzidos back-to-back (chamados dijets), onde um jato próximo à superfície da bolha QGP escapa facilmente com muita energia, enquanto o jato de recuo percorrendo uma rota mais longa na direção oposta fica extinta pelo plasma. Os físicos da STAR rastrearam a energia das partículas que compõem o "cone" do jato de recuo. Comparar isso com a energia do jato escapado (ou "gatilho") diz a eles quanta energia foi perdida.

Eles também dividiram todos os eventos naqueles que produziram jatos relativamente estreitos e aqueles que produziram uma pulverização mais ampla de partículas.

"Nossa intuição nos diz que algo mais amplo se movendo pelo meio deve perder mais energia", disse Kunnawalkam Elayavalli. "Se o jato for estreito, ele pode perfurar e você esperaria menos perda de energia do que para um jato mais largo, que vê mais plasma. Essa era a expectativa."

Pense em um grande nadador se movendo pela água de uma maneira não aerodinâmica, ele sugeriu. Você esperaria ver um rastro mais largo se movendo mais longe da pessoa do que o rastro de um nadador esguio e aerodinâmico. No caso das partículas, os físicos esperavam que a "vigília" mais ampla produzida por jatos mais amplos empurrasse as partículas para além dos limites de sua detecção.

"Mas o que descobrimos é que, com esse subconjunto específico de jatos que estudamos no RHIC, não importa qual seja o ângulo de abertura do jato; todos eles perdem energia da mesma maneira."

Tanto para os jatos estreitos quanto para os largos, somar a energia de todas as partículas de alto e baixo momento dentro do "cone" poderia explicar toda a energia "perdida" para a extinção. Ou seja, enquanto esses jatos sofreram perda de energia, tanto nos jatos largos quanto nos estreitos, a energia perdida foi convertida em partículas de menor momento que permaneceram dentro do cone do jato.

"Quando os jatos perdem energia, essa energia perdida é convertida em partículas de menor momento. Você não pode simplesmente perder energia; ela precisa ser conservada", disse Kauder, da Brookhaven. A surpresa foi que toda a energia ficou dentro do cone.

As implicações

Os resultados têm implicações importantes para a compreensão de quando ocorre a extinção desses jatos.

"Não ver uma diferença entre os jatos largos e estreitos significa que o mecanismo de perda de energia é independente da subestrutura do jato. A perda de energia deve ter acontecido antes que os jatos se dividissem - antes que houvesse um ângulo de abertura, estreito ou largo," Kunnawalkam disse Elayavalli.

A sequência mais provável de eventos:"Provavelmente um único quark atravessando os glúons irradiados pelo plasma (emitindo energia) enquanto interagia com outros quarks no QGP, então se dividiu para produzir a subestrutura do jato. Os glúons se transformam em outras partículas de menor momento que ficam dentro do cone, e essas são as partículas que medimos", disse ele.

Se a perda de energia acontecesse após a divisão do jato, cada partícula que compõe a subestrutura do jato teria perdido energia, com maior probabilidade de que as partículas se espalhassem além do cone do jato - em outras palavras, formando um "rastro" além da área onde os físicos poderia medi-los.

Conhecer o mecanismo específico de perda de energia para esses jatos ajudará os teóricos a refinar seus cálculos de como a perda de energia se relaciona com as propriedades de transporte do QGP – propriedades que são de certa forma análogas à viscosidade e densidade da água. Também dará aos físicos uma maneira de entender mais sobre as interações de forças fortes fundamentais entre os quarks.

“Obter uma compreensão quantitativa das propriedades deste plasma é fundamental para estudar a evolução do universo primitivo”, disse Kunnawalkam Elayavalli, “incluindo como essa sopa primordial de partículas se tornou os prótons e nêutrons dos núcleos de átomos que compõem nosso mundo. hoje.

“Esta medição inicia essencialmente a próxima era da física de jatos no RHIC, que nos permitirá estudar diferencialmente a evolução espaço-tempo do QGP”. + Explorar mais

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