Colisões de prótons de alta energia podem ser representadas como um mar ondulante de quarks e glúons, incluindo partículas virtuais de vida curta. À primeira vista, este ambiente extremo parece ser muito mais complexo do que a fase posterior, quando menos partículas e mais estáveis voam para fora do local da colisão. Poderíamos esperar que as partículas se comportassem de maneira muito diferente nesta fase inicial. Mas os dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) mostram que esta intuição é enganosa. Os resultados são melhor explicados por um modelo refinado que captura como as colisões de prótons realmente se desenrolam.
Quando dois prótons colidem com energia muito alta, uma grande quantidade de energia é produzida instantaneamente. Os prótons são hádrons, o que significa que são feitos de pártons, incluindo quarks e glúons que os mantêm unidos. Durante as colisões, estes quarks e glúons, incluindo os virtuais que aparecem apenas brevemente, interagem de maneiras complexas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons que se espalham e são detectados por experimentos. Com base neste quadro, parece razoável supor que a desordem do sistema, conhecida como entropia, deveria mudar entre a fase inicial do párton e a fase posterior do hádron. A fase parton parece particularmente caótica, com muitas partículas interagindo entre si.
Nova pesquisa sobre entropia em colisões de prótons
Os últimos resultados sobre esta questão foram publicados na Physical Review D pelo Prof. Krzysztof Kutak e Dr. Sandor Lokus do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Seu trabalho se concentrou em comparar a entropia da fase primária do quark glúon com a entropia das partículas finalmente produzidas e medidas.
“Na física de altas energias, os chamados modelos dipolo têm sido usados há algum tempo para descrever a evolução de sistemas densos de glúons. Esses modelos assumem que cada glúon pode ser representado por um par quark-antiquark que forma um dipolo de duas cores – aqui não estamos falando de cores simples, mas de propriedades da carga ziplum. Modelos baseados no número médio de hádrons produzidos em colisões nos permitem estimar a entropia do párton, “explica o professor Kutak, que estudou o entropia de sistemas quark glúon por mais de dez anos
Melhorando o modelo dipolo com novas ideias
Há dois anos, o professor Kutak e o Dr. Powell da Universidade de Estocolmo apresentaram uma versão atualizada do modelo dipolo Caputa. Eles começam com um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de glúons evoluem e consideram isso como a contribuição dominante. Em seguida, acrescentam efeitos adicionais que se tornam importantes em energias de colisão mais baixas, onde são produzidos menos hádrons. Esse progresso foi possível porque os pesquisadores identificaram ligações entre as equações utilizadas nos modelos dipolo e aquelas encontradas na teoria da complexidade.
Para testar este modelo dipolo simples, o Dr. Loks sugeriu compará-lo com dados experimentais reais do LHC. Foram incluídas medições dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Juntos, esses dados abrangem uma ampla gama de energias de colisão, de 0,2 teraelétron-volts a 13 TeV, as energias mais altas atualmente alcançáveis no LHC.
“Em nosso artigo, mostramos que o modelo dipolo generalizado descreve os dados existentes com mais precisão do que os modelos dipolo anteriores e, além disso, funciona bem em uma ampla gama de energias de colisão de prótons”, disse o professor Kutak.
Uma lei fundamental da entropia e da mecânica quântica
Isto levanta uma questão fundamental. A entropia da fase dominada por quarks e glúons das colisões de prótons é diferente da entropia dos hádrons que mais tarde escapam da região de colisão? De acordo com a fórmula de entropia de Kharziv-Levin, não deveria. Uma nova análise confirma esta previsão. Embora este resultado surpreenda alguns físicos, outros o vêem como uma consequência natural dos princípios mais fundamentais da mecânica quântica conhecidos como singularidades.
A unidade pode parecer abstrata, mas o conceito em si é simples. As equações que descrevem como um sistema quântico evolui ao longo do tempo devem conservar o potencial total, que sempre soma um, e devem permitir a reversão dos processos. Simplificando, unidade significa que a informação e o potencial não podem ser invisíveis ou surgir do nada.
“A singularidade da mecânica quântica é algo que os estudantes de física aprendem. O formalismo da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve o mundo dos quarks e glúons, é baseado na singularidade. No entanto, trata-se de uma teoria que exibe uma certa propriedade no nível dos quarks e cria outra realidade baseada nos hádrons cotidianos, “observa o professor Kutak. Ele acrescenta que a unificação permite extrair informações sobre a entropia do parton em uma ampla gama de energias de colisão.
O que vem a seguir para teste de modelo
Mais testes do modelo dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após a atualização planejada do LHC, o detector ALICE aprimorado será capaz de estudar regiões onde as interações de glúons são mais densas do que as examinadas até agora. Informações adicionais também são esperadas do Colisor de Íons-Elétrons (EIC), agora em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA. No EIC, os elétrons colidem com os prótons. Como os elétrons são partículas elementares, esses experimentos fornecerão uma maneira clara de sondar sistemas densos de glúons dentro de prótons individuais.
