Uma experiência no CERN deu aos físicos uma visão mais apurada sobre como os glúons se comportam dentro dos núcleos atômicos, fornecendo novas evidências que poderiam ajudar a distinguir entre duas explicações concorrentes sobre o que acontece em escalas extremamente pequenas.
O físico Daniel Tapia Takaki, da Universidade do Kansas, desempenhou um papel importante no estudo, que foi conduzido como parte do experimento ALICE no Large Hadron Collider do CERN e publicado em. artigo de revisão física.
Pesquisadores relatam a primeira medição multidimensional da produção fotonuclear anômala J/ψ (pronuncia-se “JAY-suspiro”) que rastreia a energia de interação e a transferência de momento. Juntas, essas medições permitem aos cientistas investigar com detalhes sem precedentes como os glúons são distribuídos dentro dos núcleos atômicos.
Por que os glúons são importantes?
Glúons são partículas que ajudam a unir os quarks por meio da força forte. Embora os quarks sejam geralmente descritos como fragmentos fundamentais do próton e do nêutron, a maior parte da massa da matéria comum vem da energia associada aos glúons e à força forte.
“Embora os quarks sejam frequentemente descritos como os blocos de construção fundamentais da matéria, quase toda a massa do universo visível – desde os átomos dos nossos corpos até à matéria dentro das estrelas – na verdade provém da energia transportada pelos gluões e da força forte que une os quarks,” disse o físico nuclear Daniel Tapia Takaki, professor de física e astronomia na KU e membro da Colaboração ALICE. “Compreender como os glúons se comportam dentro do núcleo é essencial para entender como a própria matéria obtém sua massa e estrutura.”
Tapia Takaki ajudou a liderar a investigação, trabalhando em estreita colaboração com cientistas da Universidade Técnica Checa, em Praga. A KU mantém uma parceria institucional com a universidade que inclui intercâmbio de estudantes e pesquisadores.
Convertendo o LHC em um microscópio glúon
Para investigar pequenas mudanças na distribuição dos glúons dentro do núcleo, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como produção fotonuclear anômala J/ψ.
“As medições foram feitas usando dados coletados durante a 2ª execução do Large Hadron Collider, onde núcleos de chumbo em movimento rápido passam próximos uns dos outros sem colidir diretamente”, disse Tapia Takaki. “Nestes encontros, os intensos campos electromagnéticos que rodeiam o núcleo comportam-se como feixes de fotões de alta energia. Quando um destes fotões colide com outro núcleo, pode produzir brevemente uma partícula chamada J/ψ, cuja produção fornece uma sonda sensível da estrutura subjacente do glúon.”
Múltiplas medições calculam efetivamente a média da distribuição de glúons em todo o núcleo. Em contraste, a produção anômala de J/ψ pode revelar mudanças locais na densidade do glúon. Isso torna possível investigar estruturas menores que o próton.
Os poderosos campos de glúons dentro dos núcleos atômicos estão no cerne da estrutura de quase toda a matéria visível, mas os físicos ainda não entendem completamente como um grande número de glúons se comportam juntos.
“Nosso experimento usando resultados incoerentes é como mudar de uma imagem borrada para um microscópio de alta resolução”, disse Tapia Takaki. “Este processo nos permite ver como os glúons flutuam e se organizam dentro do núcleo. Ao variar a transferência de momento, nosso experimento efetivamente muda o foco do nosso microscópio. Em resoluções de 0,6, 0,3 e 0,2 femtômetros, Ellis sondou áreas progressivamente menores dentro do núcleo. A melhor resolução é cerca de um quarto do tamanho do próton. corresponde às estruturas.”
Tapia Takaki introduziu outra maneira de representar esse nível de precisão. Se um núcleo atômico fosse ampliado para o tamanho de um estádio de futebol, a resolução mais alta do experimento seria suficiente para distinguir características no campo separadas por apenas alguns metros.
“Nestas escalas extraordinárias, vemos evidências de que os glúons começam a se comportar coletivamente, um fenômeno conhecido como saturação de glúons”, disse ele.
Pontos quentes de glúon entram em foco
Tapia Takaaki ajudou a ser pioneiro nesta abordagem experimental e contribuiu para modelos teóricos nos quais os glúons se reúnem em regiões locais de densidade particularmente alta, às vezes chamadas de “pontos quentes”.
No modelo de ponto quente dependente de energia, estas regiões densas mudam à medida que a energia de colisão aumenta. Seu comportamento pode fornecer aos cientistas assinaturas de física até então desconhecidas associadas à forte interação.
Para o novo trabalho, os pesquisadores mediram a produção anômala de J/ψ em energias de núcleo de fótons variando de 20 a 633 bilhões de elétron-volts. Eles também estudaram como o processo varia com a transferência de momento, que determina a escala espacial que está sendo investigada dentro do núcleo.
“Os resultados revelaram um padrão surpreendente”, disse o pesquisador da KU. “Nas menores escalas espaciais exploradas no experimento, a taxa de produção de partículas J/ψ é significativamente reduzida, com significância estatística de cerca de três desvios padrão.”
Um desafio ao chauvinismo nuclear
Essa supressão inesperada representa um desafio para uma explicação de longa data chamada “sombreamento nuclear”, que medições anteriores explicaram com sucesso.
“Nessa estrutura, os glúons dentro de um núcleo se sobrepõem parcialmente e obscurecem uns aos outros – semelhantes a camadas de nuvens que bloqueiam a luz solar – reduzindo a possibilidade de alguns processos de produção de partículas”, disse ele.
As últimas medições mostram que o sombreamento atômico convencional por si só não é suficiente para explicar os padrões observados.
Em vez disso, os resultados são consistentes com a saturação de glúons, um fenômeno previsto pela cromodinâmica quântica, a teoria que descreve a força forte.
“Em vez disso, as observações são consistentes com um fenômeno diferente chamado ‘saturação de glúons’ previsto pela teoria da cromodinâmica quântica, que descreve a força forte”, disse Tapia Takaki. “Neste regime, os glúons ficam tão densamente compactados que começam a interagir fortemente uns com os outros, limitando quantos podem existir em uma determinada região”.
