Os cientistas descobriram uma nova maneira de "ver" dentro dos núcleos atômicos mais simples para entender melhor a "cola" que mantém os blocos de construção da matéria juntos. Os resultados, recém publicados em Cartas de Revisão Física , vêm de colisões de fótons (partículas de luz) com dêuterons, os núcleos atômicos mais simples (feitos de apenas um próton ligado a um nêutron).
As colisões ocorreram no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisa em física nuclear no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE. Cientistas de todo o mundo analisam dados das colisões subatômicas do RHIC para obter informações sobre as partículas e forças que constroem a matéria visível do nosso mundo.

Nessas colisões particulares, os fótons agiam como um feixe de raios X para fornecer o primeiro vislumbre de como as partículas chamadas glúons estão dispostas dentro do deutério.

"O glúon é muito misterioso", disse Zhoudunming Tu, físico do Brookhaven Lab, que liderou este projeto para a STAR Collaboration do RHIC. Os glúons, como "portadores" da força forte*, são a cola que une os quarks, os blocos de construção internos dos prótons e nêutrons. Eles também mantêm prótons e nêutrons juntos para formar núcleos atômicos. "Queremos estudar a distribuição de glúons porque é uma das chaves que une os quarks. Essa medição da distribuição de glúons em um deutério nunca foi feita antes."

Além disso, como as colisões fóton-deuteron às vezes separam os dêuterons, as colisões podem ajudar os cientistas a entender esse processo.

"Medir a separação do deutério nos diz muito sobre os mecanismos básicos que mantêm essas partículas unidas nos núcleos em geral", disse Tu.

Compreender os glúons e seu papel na matéria nuclear será um foco central de pesquisa no Electron-Ion Collider (EIC), uma futura instalação de pesquisa em física nuclear em fase de planejamento no Brookhaven Lab. No EIC, os físicos usarão fótons gerados por elétrons para sondar as distribuições de glúons dentro de prótons e núcleos, bem como a força que mantém os núcleos juntos. Mas Tu, que vem desenvolvendo planos de pesquisa no EIC, percebeu que poderia obter algumas pistas analisando os dados existentes dos experimentos de 2016 do RHIC com dêuterons.

"A motivação para estudar o deutério é porque ele é simples, mas ainda tem tudo o que um núcleo complexo tem", explicou Tu. "Queremos estudar o caso mais simples de um núcleo para entender essas dinâmicas - incluindo como elas mudam à medida que você passa de um próton simples para os núcleos mais complexos que estudaremos no EIC".

Então, ele começou a filtrar os dados coletados pela STAR de centenas de milhões de colisões em 2016.

"Os dados estavam lá. Ninguém havia investigado a distribuição de glúons do deutério até eu começar quando era um Goldhaber Fellow em 2018. Eu tinha acabado de ingressar no Brookhaven e encontrei essa conexão com o EIC."

Brilhando a luz

O RHIC pode acelerar uma ampla gama de íons – núcleos atômicos despojados de seus elétrons. Ele pode até enviar feixes de dois tipos diferentes de partículas acelerando em direções opostas através dos anéis gêmeos de sua pista circular de 2,4 milhas quase à velocidade da luz. Mas não pode acelerar fótons diretamente.

Mas graças à física, recentemente abordada aqui, partículas em movimento rápido com muita carga positiva emitem sua própria luz. Então, em 2016, quando o RHIC estava colidindo deutérios com íons de ouro altamente carregados, esses íons de ouro em alta velocidade foram cercados por nuvens de fótons. Ao identificar "colisões ultraperiféricas" - onde o dêuteron apenas olha pela nuvem de fótons de um íon de ouro - Tu percebeu que poderia estudar fótons interagindo com dêuterons para ter um vislumbre de dentro.

O sinal revelador dessas interações é a produção de uma partícula chamada J/psi, desencadeada pelo fóton interagindo com glúons dentro do deutério.

"Encontrei 350 J/psi. Existem apenas 350 eventos das centenas de milhões de colisões registradas pelo experimento STAR. Na verdade, é um evento muito raro", disse Tu.

Embora o J/psi decaia rapidamente, o detector STAR pode rastrear os produtos de decaimento para medir quanto momento foi transferido da interação. Medir a distribuição da transferência de momento em todas as colisões permite aos cientistas inferir a distribuição do glúon.

"Existe uma conexão de um para um entre a transferência de momento (o 'chute' dado ao J/psi) e onde o glúon está localizado no deutério", explicou Tu. "Em média, os glúons dentro do próprio núcleo do deutério dão um impulso de impulso muito grande. Os glúons na periferia dão um impulso menor. Portanto, observar a distribuição geral do impulso pode ser usado para mapear a distribuição de glúons no dêuteron."

"As descobertas de nosso estudo preencheram uma lacuna em nossa compreensão da dinâmica dos glúons entre um próton livre e um núcleo pesado", disse Shuai Yang, colaborador da STAR da South China Normal University. Yang tem sido um físico líder no uso da luz emitida por íons em movimento rápido para estudar as propriedades da matéria nuclear em colisões núcleo-núcleo ultraperiféricas no RHIC e no Grande Colisor de Hádrons da Europa (LHC). "Este trabalho constrói uma ponte que conecta a física de partículas e a física nuclear", disse ele.

Outro importante colaborador, William Schmidke, do Brookhaven Lab, disse:"Na verdade, estudamos esse processo há muitos anos. Mas este é o primeiro resultado que nos diz a dinâmica dos glúons para ambos os nucleons individuais (o termo coletivo para prótons e nêutrons) e o núcleo no mesmo sistema."

Estudando a separação de deuteron

Além de gerar uma partícula J/psi, cada interação fóton-glúon também dá um impulso de impulso que desvia o deutério – ou quebra esse núcleo simples em um próton e um nêutron. Estudar o processo de separação fornece informações sobre a força gerada pelo glúon que mantém os núcleos juntos.

No caso de um rompimento, o próton carregado positivamente se curva no campo magnético do acelerador RHIC. Mas o nêutron neutro continua se movendo para a frente. Para capturar esses "nêutrons espectadores", o STAR tem um detector posicionado a 18 metros de distância de seu centro ao longo da linha de luz em uma extremidade.

"Este processo é muito simples", observou Tu. "Apenas um J/psi é produzido no centro de STAR. As únicas outras partículas que podem ser criadas são a partir desta separação de deutérios. pode medir inequivocamente este processo em alta energia."

Medir como o processo de separação está associado a uma partícula J/psi produzida por meio da interação de glúons pode ajudar os cientistas a entender o papel dos glúons na interação entre prótons e nêutrons. Esse conhecimento pode ser diferente do que os cientistas entendem sobre essas interações em baixa energia.

"Em alta energia, o fóton 'vê' quase nada além de glúons dentro do deutério", disse Tu. "Depois que os glúons 'chutam' a partícula J/psi, como esse 'chute' leva a uma ruptura está muito provavelmente relacionado à dinâmica do glúon entre o próton e o nêutron. A vantagem dessa medida é que podemos identificar experimentalmente o glúon- canal dominado e a ruptura nuclear ao mesmo tempo."

Além disso, Tu observa que a medição de nêutrons produzidos por meio de ruptura nuclear - geralmente conhecida como "marcação de espectadores" - é uma técnica ampla e útil e definitivamente será usada no futuro EIC.

Mas no EIC, “a instrumentação será muito melhor e terá mais cobertura”, explicou. "Poderemos melhorar ainda mais a precisão das medições de distribuição espacial de glúons de núcleos leves a núcleos pesados. E os sistemas detectores EIC capturarão quase tudo sobre a separação do núcleo, para que possamos estudar ainda mais detalhadamente como os núcleons interagem uns com os outros. ."

Os principais colaboradores adicionais que colaboraram para realizar as complicadas análises de dados para este estudo incluem os físicos do Brookhaven Lab Jaroslav Adam, Zilong Chang e Thomas Ullrich.

* A força forte é a mais forte das quatro forças fundamentais na natureza (força forte, fraca, eletromagnética e gravitacional). E, ao contrário de qualquer outra força, a força de interação torna-se maior com o aumento da distância. A força de ligação entre dois quarks a uma distância além de 10 ^-15 metros (mais de um milionésimo de bilionésimo de um metro) é mais de 10 toneladas. + Explorar mais

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