Primeira observação direta do efeito cone morto na física de partículas

Um quark charm (c) em uma chuva de pártons perde energia emitindo radiação na forma de glúons (g). O chuveiro exibe um cone morto de radiação suprimida ao redor do quark para ângulos menores que a razão entre a massa do quark (m) e a energia (E). A energia diminui a cada etapa do banho. Crédito:CERN

A colaboração ALICE no Large Hadron Collider (LHC) fez a primeira observação direta do efeito cone morto – uma característica fundamental da teoria da força forte que une quarks e glúons em prótons, nêutrons e, finalmente, todos os átomos atômicos. núcleos. Além de confirmar esse efeito, a observação, relatada em um artigo publicado hoje na Nature , fornece acesso experimental direto à massa de um único quark charm antes de ser confinado dentro de hádrons.
"Tem sido muito desafiador observar o cone morto diretamente", diz o porta-voz do ALICE, Luciano Musa. "Mas, usando três anos de dados de colisões próton-próton no LHC e técnicas sofisticadas de análise de dados, finalmente conseguimos descobri-lo."

Quarks e glúons, coletivamente chamados de partons, são produzidos em colisões de partículas, como as que ocorrem no LHC. Após sua criação, os partons passam por uma cascata de eventos chamada chuva de partons, pela qual perdem energia emitindo radiação na forma de glúons, que também emitem glúons. O padrão de radiação desta chuva depende da massa do párton emissor de glúons e exibe uma região em torno da direção de voo do párton onde a emissão de glúons é suprimida – o cone morto.

Previsto há trinta anos a partir dos primeiros princípios da teoria da força forte, o cone morto foi observado indiretamente em colisores de partículas. No entanto, continua sendo um desafio observá-lo diretamente do padrão de radiação do chuveiro de pártons. As principais razões para isso são que o cone morto pode ser preenchido com as partículas nas quais o parton emissor se transforma e que é difícil determinar a mudança de direção do parton ao longo do processo de chuveiro.

À medida que a chuva de pártons prossegue, os glúons são emitidos em ângulos menores e a energia do quark diminui, resultando em cones mortos maiores de emissão de glúons suprimida. Crédito:CERN

A colaboração ALICE superou esses desafios aplicando técnicas de análise de última geração a uma grande amostra de colisões próton-próton no LHC. Essas técnicas podem fazer o chuveiro de partons voltar no tempo a partir de seus produtos finais – os sinais deixados no detector ALICE por um spray de partículas conhecido como jato. Ao procurar jatos que incluíam uma partícula contendo um quark charm, os pesquisadores conseguiram identificar um jato criado por esse tipo de quark e rastrear todo o histórico de emissões de glúons do quark. Uma comparação entre o padrão de emissão de glúons do quark charm com o de glúons e quarks praticamente sem massa revelou um cone morto no padrão do quark charm.

O resultado também expõe diretamente a massa do quark charm, já que a teoria prevê que partículas sem massa não possuem cones mortos correspondentes.

“As massas dos quarks são quantidades fundamentais na física de partículas, mas não podem ser acessadas e medidas diretamente em experimentos porque, com exceção do quark top, os quarks‌ estão confinados dentro de partículas compostas”, explica Andrea Dainese, coordenadora de física do ALICE. “Nossa técnica bem-sucedida de observar diretamente o cone morto de um chuveiro de pártons pode oferecer uma maneira de medir as massas dos quarks”. + Explorar mais