Colisões de íons de alta energia no Grande Colisor de Hádrons são capazes de produzir um plasma de quark-glúon. Mas serão os núcleos atómicos pesados ​​realmente necessários para a sua formação? E acima de tudo:como nascem posteriormente deste plasma as partículas secundárias? Outras pistas na busca de respostas a estas questões são fornecidas pelas últimas análises de colisões entre prótons e prótons ou íons, observadas no experimento LHCb.



Quando núcleos atômicos pesados ​​colidem nas energias mais altas do LHC, um plasma de quark-glúon é criado por um momento inimaginavelmente breve. Este é um estado exótico da matéria em que quarks e glúons, normalmente presos em prótons ou nêutrons, não estão mais fortemente ligados entre si. Este estado não é permanente:à medida que a temperatura cai, os quarks e os glúons hadronizam-se rapidamente, ou seja, voltam a ligar-se uns aos outros, produzindo fluxos de partículas secundárias que divergem em ângulos diferentes.

Os detalhes do processo de hadronização, um fenómeno crítico para a nossa compreensão dos fundamentos da realidade física, ainda permanecem um mistério. Novas pistas foram fornecidas pelas análises de colisões recém-concluídas da experiência LHCb, realizadas com a participação de físicos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polaca de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia.

As descobertas foram publicadas no Journal of High Energy Physics .

"A hadronização ocorre em escalas de tempo de yoctosegundos, ou seja, trilionésimos de um trilionésimo de segundo, em distâncias do tamanho de femtômetros, ou seja, milionésimos de um bilionésimo de metro. Fenômenos que ocorrem tão extremamente rápido e em tais escalas microscópicas não serão diretamente observáveis ​​por um muito tempo ainda - talvez nunca", explica o Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), coautor do artigo.

"Estamos, portanto, tentando inferir o que está acontecendo com o plasma de quark-glúon, observando certas correlações quânticas específicas entre as partículas produzidas em colisões. Temos conduzido essas análises há anos, construindo gradualmente uma imagem mais precisa do fenômeno como o a quantidade de dados processados ​​aumenta."

O que exatamente são correlações quânticas? Na mecânica quântica, as partículas são descritas usando funções de onda. Se houver muitas partículas no sistema em estudo, suas funções de onda poderão se sobrepor. Como nas ondas normais, ocorre então interferência. Se as funções de onda forem suprimidas como resultado, falamos de correlações de Fermi-Dirac, se forem melhoradas – correlações de Bose-Einstein. São estas últimas correlações, características de partículas idênticas, que têm atraído a atenção dos cientistas.

Os pesquisadores concentraram sua atenção nas correlações de Bose-Einstein que aparecem entre pares de píons, ou mésons pi. Análises semelhantes já haviam sido realizadas em dados de outros detectores operando no acelerador do LHC, mas tratavam apenas de partículas divergindo em grandes ângulos do ponto de colisão.

Entretanto, o design único do detector LHCb permitiu aos físicos observar pela primeira vez partículas emitidas "para a frente", em ângulos desviados da direcção do feixe original em não mais do que cerca de uma dúzia de graus. Os resultados obtidos completam assim o quadro do fenômeno construído pelas medições nas demais experiências do LHC.

A escolha da direção “avante” não foi a única novidade. A análise foi realizada para os chamados sistemas pequenos, ou seja, para colisões próton-próton, próton-íon e íon-próton (os dois últimos casos não são idênticos, porque em um caso apenas um próton está se movendo em alta velocidade, enquanto no outro caso, o núcleo consiste em muitos prótons e nêutrons).

Entre outras coisas, os investigadores queriam descobrir se os fenómenos colectivos observados nas colisões núcleo-núcleo, associados ao plasma quark-glúon, também poderiam aparecer em colisões de sistemas de partículas mais pequenos.

"Submetemos as correlações que encontramos a verificações adicionais. Por exemplo, testamos como elas dependem de diferentes variáveis, como a multiplicidade de partículas carregadas. Além disso, como todas as colisões foram registradas com os mesmos detectores e sob as mesmas condições, poderíamos verificar facilmente se nossas correlações mudam sob diferentes configurações de sistemas de partículas em colisão", diz o Prof. Kucharczyk.

As conclusões das análises são interessantes. Todas as indicações são de que o plasma de quark-gluon pode ser produzido no LHC mesmo em colisões de um único próton. Ao mesmo tempo, as fontes de emissão de partículas secundárias em colisões próton-próton parecem ser menores do que em colisões mistas. Também foi observada uma interessante associação entre correlações e ângulos em relação ao eixo do feixe de partículas produzidas nas colisões.

"A observação de correlações em pequenos sistemas desencadeou uma discussão sobre a sua origem. Em particular, a questão de saber se têm a mesma origem que nas colisões de iões pesados ​​é intrigante e, consequentemente, quais são exactamente as condições necessárias para produzir um quark -plasma de glúons? Alguns modelos atuais deste plasma assumem a presença de fenômenos coletivos no plasma, associados a fluxos. Os resultados de nossas análises parecem estar mais próximos desses modelos hidrodinâmicos, "acrescenta o Prof. Kucharczyk.

Só isso:estamos realmente lidando com fluxos de plasma de quark-glúon durante a hadronização? Os modelos teóricos do fenômeno atualmente existentes são de natureza fenomenológica, o que significa que precisam ser calibrados com dados obtidos em experimentos.

Apesar disso, nenhum dos modelos consegue reproduzir os resultados das medições com precisão satisfatória. Portanto, parece que ainda há muito trabalho pela frente para os físicos antes que a verdadeira natureza dos processos de plasma de quark-gluon seja conhecida.

Mais informações: Aaij, R et al, Estudo das correlações de Bose-Einstein de píons de mesmo sinal em colisões próton-chumbo, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172
Fornecido pela Academia Polonesa de Ciências