Quando íons pesados, acelerados até a velocidade da luz, colidem uns com os outros nas profundezas dos aceleradores europeus ou americanos, o plasma quark-gluon é formado por frações de segundo, ou mesmo seu ‘coquetel’ temperado com outras partículas. Segundo cientistas do IFJ PAN, dados experimentais mostram que há atores subestimados em cena: os fótons. Suas colisões levam à emissão de partículas aparentemente excessivas, cuja presença não pode ser explicada.
O plasma de quark-gluon é, sem dúvida, o estado da matéria mais exótico que conhecemos até agora. No LHC do CERN perto de Genebra, ele é formado durante colisões centrais de dois íons de chumbo que se aproximam de direções opostas, viajando a velocidades muito próximas à da luz. Esta sopa de quark-gluon às vezes também é temperada com outras partículas. Infelizmente, a descrição teórica do curso dos eventos envolvendo plasma e um coquetel de outras fontes falha em descrever os dados coletados nos experimentos. Em um artigo publicado na Physics Letters B, um grupo de cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências da Cracóvia explicou o motivo das discrepâncias observadas. Os dados coletados durante as colisões de núcleos de chumbo no LHC, bem como durante as colisões de núcleos de ouro no RHIC no Laboratório Nacional de Brookhaven, perto de Nova York, começam a concordar com a teoria quando a descrição dos processos leva em conta as colisões entre fótons que cercam ambos íons interagindo.
“Com uma pitada de sal, você poderia dizer que com energias suficientemente altas, íons massivos colidem não apenas com seus prótons e nêutrons, mas até com suas nuvens de fótons”, diz a Dra. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) e esclarece imediatamente: “Ao descrever a colisão de íons no LHC já levamos em consideração as colisões entre fótons. Porém, tratavam-se apenas de colisões ultraperiféricas, nas quais os íons não se atingem, mas passam uns pelos outros inalterados, interagindo apenas com seus próprios campos eletromagnéticos. Ninguém pensava que as colisões de fótons poderiam desempenhar qualquer papel em interações violentas onde prótons e nêutrons se fundem em uma sopa de quark-gluon. ”
Em condições conhecidas da vida cotidiana, os fótons não colidem uns com os outros. No entanto, quando estamos lidando com íons massivos acelerados quase à velocidade da luz, a situação muda. O núcleo de ouro contém 79 prótons, o núcleo de chumbo chega a 82, de modo que a carga elétrica de cada íon é correspondentemente muitas vezes maior do que a carga elementar. Os portadores das interações eletromagnéticas são os fótons, então cada íon pode ser tratado como um objeto cercado por uma nuvem de muitos fótons. Além disso, no RHIC e no LHC, os íons se movem a velocidades próximas à da luz. Como resultado, do ponto de vista do observador no laboratório, tanto eles quanto suas nuvens de fótons ao redor parecem ser manchas extremamente finas, achatadas na direção do movimento. A cada passagem dessa panqueca de prótons-nêutrons, ocorre uma oscilação extremamente violenta dos campos elétrico e magnético.
Na eletrodinâmica quântica, teoria utilizada para descrever o eletromagnetismo no que diz respeito aos fenômenos quânticos, existe um valor crítico máximo do campo elétrico, da ordem de dez a dezesseis volts por centímetro. Aplica-se a campos elétricos estáticos. No caso de colisões de núcleos atômicos massivos no RHIC ou LHC, estamos lidando com campos dinâmicos que aparecem apenas por milionésimos de um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. Por um período de tempo extremamente curto, os campos elétricos nas colisões de íons podem ser até 100 vezes mais fortes do que o valor crítico.
“Na verdade, os campos elétricos dos íons que colidem no LHC ou RHIC são tão poderosos que geram fótons virtuais e suas colisões ocorrem. Como resultado desses processos, pares leptão-antilepton são formados em vários pontos ao redor dos íons onde havia nada material antes. As partículas de cada par se afastam umas das outras de maneira característica: normalmente em direções opostas e quase perpendiculares à direção original do movimento dos íons “, explica o Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) e aponta que a família dos léptons inclui elétrons e suas contrapartes mais massivas: múons e tauons.
As interações de fótons e a produção de pares leptão-antilepton associados a eles são cruciais em colisões periféricas. Colisões como essas foram descritas pelos físicos da Cracóvia alguns anos atrás. Para sua surpresa, agora conseguiram mostrar que os mesmos fenômenos também desempenham um papel significativo nas colisões diretas de núcleos, mesmo centrais. Os dados coletados para núcleos de ouro no RHIC e núcleos de chumbo no LHC mostram que durante tais colisões aparece um certo número “excessivo” de pares elétron-pósitron, que divergem relativamente lentamente em direções quase perpendiculares aos feixes de íons. Foi possível explicar sua existência com precisão apenas levando em consideração a produção de pares leptão-antilepton pela colisão de fótons.
“A verdadeira cereja do bolo para nós foi o fato de que, ao complementar as ferramentas existentes para a descrição de colisões maciças de íons com nosso formalismo construído na chamada função de distribuição de Wigner, poderíamos finalmente explicar por que os detectores do maior acelerador contemporâneo experimentos registram esse tipo de distribuição de léptons e antileptons escapando do local das colisões nucleares (para uma determinada centralidade da colisão). Nossa compreensão dos processos mais importantes que ocorrem aqui se tornou mais completa “, conclui o Prof. Antoni Szczurek ( IFJ PAN).
O trabalho no modelo da Cracóvia de colisões fóton-fóton foi financiado pelo Centro Nacional de Ciência da Polônia. O modelo tem despertado o interesse de físicos que trabalham com os detectores ATLAS e ALICE do LHC e será utilizado nas próximas análises de dados experimentais.
Publicado em 01/05/2021 13h06
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