Físicos da Universidade Eötvös Loránd (ELTE) têm conduzido pesquisas sobre a matéria que constitui o núcleo atômico utilizando os três aceleradores de partículas mais poderosos do mundo. O seu foco tem sido mapear a “sopa primordial” que encheu o universo no primeiro milionésimo de segundo após a sua criação.



Curiosamente, as suas medições mostraram que o movimento das partículas observadas tem semelhanças com a procura de presas por predadores marinhos, com os padrões das alterações climáticas e com as flutuações do mercado de ações.

Imediatamente após o Big Bang, as temperaturas eram tão extremas que os núcleos atômicos não poderiam existir, nem os núcleons, seus blocos de construção. Conseqüentemente, neste primeiro caso, o universo estava repleto de uma “sopa primordial” de quarks e glúons.

À medida que o universo esfriou, esse meio sofreu um “congelamento”, levando à formação das partículas que conhecemos hoje, como prótons e nêutrons. Este fenómeno é replicado numa escala muito menor em experiências com aceleradores de partículas, onde colisões entre dois núcleos criam minúsculas gotículas de matéria quark. Estas gotículas eventualmente transitam para a matéria comum através do congelamento, uma transformação conhecida pelos investigadores que conduzem estas experiências.

No entanto, as propriedades da matéria quark variam devido às diferenças de pressão e temperatura que resultam da energia de colisão nos aceleradores de partículas. Esta variação necessita de medições para "escanear" a matéria em aceleradores de partículas de diferentes energias, o Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) nos EUA, ou o Super Proton Synchrotron (SPS) e o Large Hadron Collider (LHC) na Suíça.

"Este aspecto é tão crucial que novos aceleradores estão sendo construídos em todo o mundo, por exemplo na Alemanha ou no Japão, especificamente para tais experimentos. Talvez a questão mais significativa seja como ocorre a transição entre fases:um ponto crítico pode surgir na fase mapa", explica Máté Csanád, professor de física do Departamento de Física Atômica da Universidade Eötvös Loránd (ELTE).

O objetivo de longo prazo da pesquisa é aprofundar a nossa compreensão da forte interação que governa as interações na matéria quark e nos núcleos atômicos. O nosso actual nível de conhecimento nesta área pode ser comparado ao domínio da electricidade pela humanidade durante as eras de Volta, Maxwell ou Faraday.

Embora tivessem uma noção das equações fundamentais, foi necessário um trabalho experimental e teórico considerável para desenvolver tecnologias que transformaram profundamente a vida quotidiana, desde a lâmpada até televisões, telefones, computadores e Internet. Da mesma forma, a nossa compreensão da interação forte ainda é embrionária, tornando a investigação para a explorar e mapear de vital importância.

Investigadores do ELTE estiveram envolvidos em experiências em cada um destes aceleradores mencionados acima, e o seu trabalho ao longo dos últimos anos levou a uma imagem abrangente da geometria da matéria quark. Eles conseguiram isso através da aplicação de técnicas de femtoscopia. Esta técnica utiliza as correlações que surgem da natureza ondulatória não clássica e quântica das partículas produzidas, o que no final revela a estrutura em escala de femtômetro do meio, a fonte emissora de partículas.

“Nas décadas anteriores, a femtoscopia era operada com base no pressuposto de que a matéria quark seguia uma distribuição normal, ou seja, a forma gaussiana encontrada em tantos locais da natureza”, explica Márton Nagy, um dos principais investigadores do grupo. No entanto, os investigadores húngaros recorreram ao processo Lévy, que também é familiar em várias disciplinas científicas, como um quadro mais geral, e que é uma boa descrição da procura de presas por predadores marinhos, dos processos do mercado de ações e até das alterações climáticas.

Uma característica distintiva destes processos é que em certos momentos eles sofrem mudanças muito grandes (por exemplo, quando um tubarão procura alimento numa nova área), e nesses casos pode ocorrer uma distribuição de Lévy em vez de uma distribuição normal (Gaussiana).

Esta pesquisa tem importância significativa por vários motivos. Primeiramente, uma das características mais estudadas do congelamento da matéria quark, sua transformação em matéria convencional (hadrônica), é o raio femtoscópico (também chamado de raio HBT, observando sua relação com o conhecido efeito Hanbury Brown e Twiss em astronomia), que é derivado de medições femtoscópicas. No entanto, esta escala depende da geometria assumida do meio.

Como resume Dániel Kincses, pesquisador de pós-doutorado do grupo:"Se a suposição gaussiana não for ótima, então os resultados mais precisos desses estudos só poderão ser obtidos sob a suposição de Lévy. O valor do 'expoente de Lévy', que caracteriza a distribuição de Lévy também pode esclarecer a natureza da transição de fase. Assim, sua variação com a energia de colisão fornece informações valiosas sobre as diferentes fases da matéria quark.

Pesquisadores da ELTE estão participando ativamente de quatro experimentos:NA61/SHINE no acelerador SPS, PHENIX e STAR no RHIC e CMS no LHC. O grupo NA61/SHINE da ELTE é liderado por Yoshikazu Nagai, o grupo CMS por Gabriella Pásztor; e os grupos RHIC por Máté Csanád, que também coordena a pesquisa em femtoscopia da ELTE.

Os grupos estão fazendo contribuições substanciais para o sucesso de experimentos em diversas capacidades, desde o desenvolvimento de detectores até a aquisição e análise de dados. Eles também estão envolvidos em muitos projetos e pesquisas teóricas. “O que é único na nossa investigação em femtoscopia é que esta é realizada em quatro experiências em três aceleradores de partículas – dando-nos uma visão ampla da geometria e das possíveis fases da matéria quark”, afirma Máté Csanád.

A equipe apresentou suas últimas descobertas no Workshop sobre Correlações de Partículas e Femtoscopia, realizado de 6 a 10 de novembro de 2023. Como parte de colaborações em grande escala, eles também publicaram pesquisas relacionadas no The European Physical Journal C , Letras B de Física e Universo .

Mais informações: Márton Nagy et al, Um novo método para calcular funções de correlação de Bose-Einstein com interação de estado final de Coulomb, The European Physical Journal C (2023). DOI:10.1140/epjc/s10052-023-12161-y
Balázs Kórodi et al, Investigação evento por evento da função de fonte de duas partículas em colisões sNN=2,76 TeV PbPb com EPOS, Physics Letters B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138295

Bálint Kurgyis et al, Correções de Coulomb para correlações de Bose-Einstein de funções de fonte do tipo Lévy uni e tridimensionais, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070328

Barnabás Pórfy, Medição de Correlação Femtoscópica com Fonte Simétrica do Tipo Lévy em NA61/SHINE, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070298

Ayon Mukherjee, Kaon Femtoscopia com fontes estáveis ​​​​de Lévy de colisões sNN=200 GeV Au+Au no RHIC, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070300

László Kovács, Acusou Femtoscopia Kaon com Fontes Lévy em sNN =200 GeV Au+Au Colisões em PHENIX, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070336

Informações do diário: Letras B de Física

Fornecido pela Universidade Eötvös Loránd