Evidências de ‘coalescência de quarks’ encontradas em colisões do LHC – Physics World

Evidências de ‘coalescência de quarks’ encontradas em colisões do LHC – Physics World

Carimbo de hora: 6 de março de 2024 10h31


LHCb no CERN
Coalescedor de Quark: o experimento LHCb sendo atualizado há vários anos. (Cortesia: Maximilien Brice/CERN)

Os físicos que trabalham na experiência LHCb viram evidências de que a “coalescência de quarks” desempenha um papel na evolução dos quarks em hádrons após colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Este mecanismo, que foi originalmente proposto na década de 1980, combina quarks existentes com funções de onda sobrepostas, em vez de criar novos quarks. É mais pronunciado em momentos transversais baixos e desaparece gradualmente à medida que os quarks escapam rapidamente do ponto de colisão.

Quarks são as partículas que constituem os prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos e vários outros hádrons (partículas pesadas) que sentem a forte interação. Uma de suas características mais estranhas é que nunca podem ser observados isoladamente. A principal razão é que, ao contrário da gravidade, do electromagnetismo e da interacção fraca, cuja força diminui com a distância, o efeito da interacção forte aumenta à medida que os quarks ligados se afastam mais. Se os quarks estiverem suficientemente distantes entre si, o campo de glúons que medeia a interação forte contém energia suficiente para criar pares partícula-antipartícula. Estes ligam-se aos quarks originais, criando novas partículas ligadas que podem ser mésons (combinações de um quark e um antiquark) ou bárions (compreendendo três quarks). Este processo é chamado de fragmentação.

Experimentos envolvendo colisões de íons pesados ​​sugeriram que esta não é toda a história. Os físicos acreditam que os quarks também podem se combinar no denso plasma de quark-glúon formado pela colisão dessas grandes partículas em um processo chamado coalescência.

“Você tem uma colisão, você forma um monte de pares quark-antiquark que começam a se afastar um do outro e, por causa da dualidade onda-partícula, cada partícula tem um comprimento de onda que indica quão grande ela é”, explica Matt Durham, do Laboratório Nacional de Los Alamos nos EUA, que é membro da colaboração LHCb.

Os quarks existentes combinam

“Se você tiver três quarks que se sobrepõem, você os congela em um bárion; se você tiver dois quarks sobrepostos, você os congela em um méson; se você tiver um quark que não se sobrepõe a nenhum outro, ele terá que se fragmentar”, explica Durham. “Portanto, a coalescência pega os quarks produzidos na colisão e os une; a fragmentação exige que você faça novos quarks a partir do vácuo.”

A coalescência em colisões de íons pesados ​​tem sido “geralmente aceita”, diz Durham, porque de outra forma seria difícil explicar as proporções entre prótons e píons produzidos em experimentos. No entanto, as colisões de íons pesados ​​são confusas e as previsões teóricas são inevitavelmente imprecisas. Na nova pesquisa, a equipe do LHCb estudou a produção de quarks b em colisões próton-próton. Às vezes chamado de quark bottom ou beauty, o quark b é o segundo quark mais massivo no Modelo Padrão da física de partículas.

É quase certo que a produção de quarks b produza um bárion b-lambda ou um bárion B.0 méson, ambos contendo ab quark. A relação de produção entre estes dois tem sido extensivamente estudada em experiências nas quais o quark b é produzido por colisões electrão-pósitron – um processo que só pode levar à fragmentação. “Se você tiver apenas fragmentação, essa proporção deverá ser universal”, diz Durham.

A equipe do LHCb analisou dados de vários anos sobre colisões próton-próton e estudou os produtos de decaimento das colisões que produziram quarks b. Para colisões com momentos transversais elevados em relação aos feixes em colisão e poucas outras partículas detectadas ao mesmo tempo, a proporção bárion-méson foi aproximadamente igual à proporção em experimentos elétron-pósitron.

Mais bárions

No entanto, à medida que os momentos transversais diminuíram e o número de outras partículas detectadas simultaneamente cresceu, a proporção de bárions aumentou gradualmente em relação à proporção de mésons. Isto, concluíram os investigadores, era uma evidência clara de que outro processo com maior probabilidade de produzir bárions estava em acção nestas colisões. Neste cenário, o quark b está rodeado por outros quarks – mas tornou-se cada vez mais desfavorecido à medida que o quark produzido estava mais separado das outras partículas. “É realmente necessária uma coalescência para explicar isso”, diz Durham, que acrescenta: “Acho que mostramos isso de forma bastante definitiva aqui”.

“Definitivamente acho os dados convincentes”, diz o teórico Ralf Rap da Texas A&M University; “Costumava haver uma desconexão entre sistemas muito pequenos – sendo o extremo elétron-pósitron, onde há apenas um par quark-antiquark – e os sistemas de íons pesados ​​onde há milhares de quarks. A maneira como eles realmente defendem seu ponto de vista é mostrar sistematicamente como o efeito desaparece e recupera o limite elétron-pósitron em função de quantos hádrons são observados, o que é uma medida observável de quantos quarks e antiquarks existem para coalescer.”

Experimentalista Anselmo Vossen da Duke University, na Carolina do Norte, concorda que o trabalho é “muito bom”, mas observa que as suposições subjacentes usadas para calcular as frações de fragmentação envolvem o isolamento dos quarks, então talvez não seja surpreendente que eles forneçam resultados incorretos em momentos transversais baixos quando isso não é o caso. “Todos estes são modelos”, diz ele. “É muito sugestivo que se você usar algo no modelo de coalescência funcione, mas isso não significa que seja ‘a verdade’”

A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.

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