Novos resultados de detectores de partículas de precisão no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) oferecem um novo vislumbre das interações de partículas que ocorrem nos núcleos das estrelas de nêutrons e dão aos físicos nucleares uma nova maneira de procurar violações de simetrias fundamentais no universo. Os resultados, publicados apenas na Nature Physics, só poderiam ser obtidos em um poderoso colisor de íons, como o RHIC, uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisa em física nuclear no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.
As medições de precisão revelam que a energia de ligação que mantém os componentes do núcleo “matéria estranha” mais simples, conhecido como “hipertriton”, é maior que a obtida por experimentos anteriores menos precisos. O novo valor pode ter implicações astrofísicas importantes para a compreensão das propriedades das estrelas de nêutrons, onde a presença de partículas contendo os chamados quarks “estranhos” é comum.
A segunda medida foi a busca por uma diferença entre a massa do hipertriton e sua contraparte de antimatéria, o anti-hipertriton (o primeiro núcleo contendo um quark antistrange, descoberto no RHIC em 2010). Os físicos nunca encontraram uma diferença de massa entre os parceiros matéria-antimatéria, portanto, ver um deles seria uma grande descoberta. Seria evidência de violação da “CPT” – uma violação simultânea de três simetrias fundamentais na natureza, relacionadas à reversão de carga, paridade (simetria de espelho) e tempo.
“Os físicos viram violações de paridade e violações de PC juntas (cada uma recebendo um Prêmio Nobel do Brookhaven Lab [-), mas nunca a CPT”, disse o físico de Brookhaven Zhangbu Xu, co-porta-voz do experimento STAR do RHIC, onde a pesquisa sobre hipertriton foi realizada .
Mas ninguém procurou a violação da CPT no hipertriton e no anti-hipertriton, disse ele, “porque ninguém mais poderia ainda”.
O teste CPT anterior do núcleo mais pesado foi realizado pela colaboração do ALICE no Large Hadron Collider (LHC) da Europa, com uma medida da diferença de massa entre o hélio-3 comum e o anti-hélio-3. O resultado, não mostrando diferença significativa, foi publicado na Nature Physics em 2015.
Alerta de spoiler: Os resultados do STAR também não revelam diferença de massa significativa entre os parceiros de matéria-antimatéria explorados no RHIC, portanto ainda não há evidências de violação da CPT. Mas o fato de os físicos da STAR poderem fazer as medições é uma prova das notáveis capacidades de seus detectores.
Matéria estranha
Os núcleos mais simples de matéria normal contêm apenas prótons e nêutrons, com cada uma dessas partículas feitas de quarks comuns “acima” e “abaixo”. Nos hipertritons, um nêutron é substituído por uma partícula chamada lambda, que contém um quark estranho, juntamente com as variedades comuns de cima e para baixo.
Essas substituições de matéria estranha são comuns nas condições ultra-densas criadas nas colisões do RHIC – e também são prováveis nos núcleos das estrelas de nêutrons, nas quais uma única colher de chá pesaria mais de 1 bilhão de toneladas. Isso ocorre porque a alta densidade torna menos dispendioso em termos de energia a produção de quarks estranhos do que as variedades comuns de cima e para baixo.
Por esse motivo, as colisões do RHIC dão aos físicos nucleares uma maneira de espiar as interações subatômicas dentro de objetos estelares distantes sem sair da Terra. E como as colisões RHIC criam hipertritons e anti-hipertritons em quantidades quase iguais, eles oferecem uma maneira de procurar também por violação de CPT.
Mas encontrar essas partículas raras entre os milhares que fluem de cada quebra de partícula do RHIC – com colisões acontecendo milhares de vezes por segundo – é uma tarefa assustadora. Acrescente ao desafio o fato de que essas partículas instáveis decaem quase assim que se formam – a centímetros do centro do detector STAR de quatro metros de largura.
Detecção de precisão
Felizmente, os componentes do detector adicionados ao STAR para rastrear diferentes tipos de partículas tornaram a pesquisa relativamente fácil. Esses componentes, chamados de “Rastreador de sabor pesado”, estão localizados muito perto do centro do detector STAR. Eles foram desenvolvidos e construídos por uma equipe de colaboradores da STAR, liderada por cientistas e engenheiros do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab). Esses componentes internos permitem que os cientistas combinem as trilhas criadas pelos produtos de decomposição de cada hipertriton e anti-hipertriton com seu ponto de origem fora da zona de colisão.
“O que procuramos são as partículas ‘filhas’ – os produtos de decomposição que atingem os componentes dos detectores nas bordas externas da STAR”, disse o físico Xin Dong do Berkeley Lab. A identificação de trilhas de pares ou trigêmeos de partículas filhas que se originam de um único ponto fora da zona de colisão primária permite aos cientistas captar esses sinais no mar de outras partículas que fluem de cada colisão RHIC.
“Então calculamos o momento de cada partícula filha a partir de um decaimento (com base no quanto eles dobram no campo magnético da STAR) e, a partir disso, podemos reconstruir suas massas e a massa da partícula hipertritonada ou anti-hipertritonada antes que ela decaia”, explicou Declan Keane, da Universidade Estadual de Kent (KSU). Diferenciar o hipertriton e o anti-hipertriton é fácil porque eles se decompõem em diferentes filhas, acrescentou.
“A equipe de Keane, incluindo Irakli Chakeberia, se especializou em rastrear essas partículas através dos detectores para ‘conectar os pontos'”, disse Xu. “Eles também forneceram a visualização necessária dos eventos”.
Conforme observado, a compilação de dados de muitas colisões não revelou diferença de massa entre os hipernúcleos da matéria e da antimatéria, portanto, não há evidências de violação da CPT nesses resultados.
Mas quando os físicos da STAR analisaram seus resultados para a energia de ligação do hipertriton, ele se mostrou maior do que as medições anteriores da década de 1970 haviam encontrado.
Os físicos da STAR derivaram a energia de ligação subtraindo seu valor para a massa de hipertriton das massas conhecidas combinadas de suas partículas de blocos de construção: um deuteron (um estado ligado de um próton e um nêutron) e um lambda.
“O hipertriton pesa menos que a soma de suas partes, porque parte dessa massa é convertida na energia que une os três núcleos”, disse Jinhui Chen, colaborador do STAR University da Fudan University, cujo Ph.D. Peng Liu analisou os grandes conjuntos de dados para chegar a esses resultados. “Essa energia de ligação é realmente uma medida da força dessas interações, portanto nossa nova medição pode ter implicações importantes para a compreensão da ‘equação de estado’ das estrelas de nêutrons”, acrescentou.
Por exemplo, nos cálculos dos modelos, a massa e a estrutura de uma estrela de nêutrons depende da força dessas interações. “Há um grande interesse em entender como essas interações – uma forma de força forte – são diferentes entre núcleons comuns e núcleos estranhos que contêm quarks estranhos”, disse Chen. “Como esses hipernúcleos contêm uma única lambda, essa é uma das melhores maneiras de fazer comparações com previsões teóricas. Isso reduz o problema à sua forma mais simples”.
Publicado em 14/03/2020 14h48
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