Novas descobertas do Jefferson Laboratory lançam luz sobre o processo de formação de matéria estranha a partir da matéria comum.
Físicos nucleares fizeram uma descoberta inovadora por meio de sua análise exclusiva de dados experimentais. Pela primeira vez, eles observaram a produção de partículas lambda, também conhecidas como “matéria estranha”, por meio de um processo chamado espalhamento inelástico profundo semi-inclusivo (SIDIS). Os dados obtidos também sugerem que os blocos de construção de prótons, quarks e glúons podem às vezes marchar através do núcleo de um átomo em pares referidos como diquarks. O experimento foi realizado no Thomas Jefferson National Accelerator Facility, administrado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Esta conquista foi o culminar de muitos anos de trabalho árduo. Os dados usados neste estudo foram coletados originalmente em 2004. Lamiaa El Fassi, que atualmente atua como professora associada de física na Mississippi State University e é a pesquisadora principal deste projeto, inicialmente analisou esses dados enquanto trabalhava em seu projeto de tese para obter seu diploma de pós-graduação em um tópico diferente
Quase uma década depois de concluir sua pesquisa inicial com esses dados, El Fassi revisitou o conjunto de dados e conduziu seu grupo a uma análise cuidadosa para produzir essas medições sem precedentes. O conjunto de dados vem de experimentos no Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) do Jefferson Lab, uma instalação do usuário do DOE. No experimento, os físicos nucleares rastrearam o que aconteceu quando os elétrons do CEBAF se espalharam pelo núcleo alvo e sondaram os quarks confinados dentro de prótons e nêutrons. Os resultados foram publicados recentemente na Physical Review Letters.
“Esses estudos ajudam a construir uma história, análoga a um filme, de como o quark atingido se transforma em hádrons. Em um novo artigo, relatamos as primeiras observações de tal estudo para o bárion lambda nas regiões de fragmentação para frente e para trás”, disse El Fassi.
Entra como um lambda, sai como um pion.
Como os prótons e nêutrons mais familiares, cada lambda é composto de três quarks.
Ao contrário dos prótons e nêutrons, que contêm apenas uma mistura de quarks up e down, os lambdas contêm um quark up, um quark down e um quark estranho. Os físicos apelidaram a matéria que contém quarks estranhos de “matéria estranha”.
Neste trabalho, El Fassi e seus colegas estudaram como essas partículas de matéria estranha se formam a partir de colisões de matéria comum. Para isso, dispararam o feixe de elétrons do CEBAF em diferentes alvos, incluindo carbono, ferro e chumbo. Quando um elétron de alta energia do CEBAF atinge um desses alvos, ele quebra um próton ou nêutron dentro de um dos núcleos do alvo.
“Como o próton ou o nêutron está totalmente quebrado, há poucas dúvidas de que o elétron interage com o quark dentro”, disse El Fassi.
Depois que o elétron interage com um quark ou quarks por meio de um fóton virtual trocado, o(s) quark(s) “atingido(s)” começa(m) a se mover como uma partícula livre no meio, normalmente juntando-se a outro(s) quark(s) que encontra para formar uma nova partícula composta medida que se propagam através do núcleo. E algumas vezes, essa partícula composta será um lambda.
Mas o lambda tem vida curta – após a formação, ele se decompõe rapidamente em duas outras partículas: um píon e um próton ou nêutron. Para medir as diferentes propriedades dessas partículas lambda criadas brevemente, os físicos devem detectar suas duas partículas filhas, bem como o feixe de elétrons que se espalhou pelo núcleo alvo.
O experimento que coletou esses dados, EG2, usou o detector CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) no Experimental Hall B do Jefferson Lab. Esses resultados recentemente publicados, “First Measurement of Λ Electroproduction off Nuclei in the Current and Target Fragmentation Regions,” da colaboração CLAS, que envolve quase 200 físicos em todo o mundo.
SIDIS
Este trabalho é o primeiro a medir o lambda usando este processo, que é conhecido como espalhamento inelástico profundo semi-inclusivo, nas regiões de fragmentação para frente e para trás. É mais difícil usar esse método para estudar partículas lambda, porque a partícula decai tão rapidamente que não pode ser medida diretamente.
“Esta classe de medição só foi realizada em prótons antes e em partículas mais leves e estáveis”, disse o coautor William Brooks, professor de física na Universidade Técnica Federico Santa María e co-porta-voz do experimento EG2.
A análise foi tão desafiadora que levou vários anos para El Fassi e seu grupo reanalisar os dados e extrair esses resultados. Foi seu orientador de tese, Kawtar Hafidi, que a encorajou a continuar a investigação do lambda a partir desses conjuntos de dados.
“Gostaria de elogiar o trabalho árduo e a perseverança de Lamiaa em dedicar anos de sua carreira trabalhando nisso”, disse Hafidi, diretor associado do laboratório de ciências físicas e engenharia do Argonne National Lab e co-porta-voz do experimento EG2. “Sem ela, este trabalho não teria se concretizado.”
“Não tem sido fácil”, disse El Fassi. “É um processo longo e demorado, mas valeu a pena. Quando você passa tantos anos trabalhando em algo, é bom vê-lo publicado.”
El Fassi começou essa análise lambda quando ela mesma era pós-doutora, alguns anos antes de se tornar professora assistente na Mississippi State University. Ao longo do caminho, vários de seus próprios pós-doutorandos no estado do Mississippi ajudaram a extrair esses resultados, incluindo a coautora Taya Chetry.
“Estou muito feliz e motivado em ver este trabalho sendo publicado”, disse Chetry, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Florida International University.
Dois por um
Uma descoberta notável dessa análise intensiva muda a maneira como os físicos entendem como os lambdas se formam após as colisões de partículas.
Em estudos semelhantes que usaram espalhamento inelástico profundo semi-inclusivo para estudar outras partículas, as partículas de interesse geralmente se formam depois que um único quark foi “atingido” pelo fóton virtual trocado entre o feixe de elétrons e o núcleo alvo. Mas o sinal deixado por lambda no detector CLAS sugere um acordo mais empacotado.
A análise dos autores mostrou que, ao formar um lambda, o fóton virtual foi absorvido parte do tempo por um par de quarks, conhecido como diquark, em vez de apenas um.
Depois de ser “atingido”, esse diquark encontrou um quark estranho e formou um lambda.
“Esse emparelhamento de quarks sugere um mecanismo diferente de produção e interação do que no caso da interação de um único quark”, disse Hafidi.
Uma melhor compreensão de como diferentes partículas se formam ajuda os físicos em seus esforços para decifrar a interação forte, a força fundamental que mantém unidas essas partículas contendo quarks. A dinâmica dessa interação é muito complicada, assim como a teoria usada para descrevê-la: a cromodinâmica quântica (QCD).
A comparação de medições com modelos de previsões do QCD permite que os físicos testem essa teoria. Como a descoberta do diquark difere das previsões atuais do modelo, sugere que algo sobre o modelo está errado.
“Há um ingrediente desconhecido que não entendemos. Isso é extremamente surpreendente, pois a teoria existente pode descrever essencialmente todas as outras observações, mas não esta”, disse Brooks. “Isso significa que há algo novo para aprender e, no momento, não temos ideia do que poderia ser.”
Para descobrir, eles precisarão de ainda mais medições.
Os dados para EG2 foram coletados com feixes de elétrons de 5,014 GeV (bilhões de elétron-volt) na era de 6 GeV do CEBAF. Experimentos futuros usarão feixes de elétrons do CEBAF atualizado, que agora se estendem até 11 GeV para o Experimental Hall B, bem como um detector CLAS atualizado conhecido como CLAS12, para continuar estudando a formação de uma variedade de partículas, incluindo lambdas, com maior -elétrons de energia.
O próximo Electron-Ion Collider (EIC) no Brookhaven National Laboratory do DOE também fornecerá uma nova oportunidade para continuar estudando essa matéria estranha e a estrutura de pareamento de quarks do núcleon com maior precisão.
“Esses resultados estabelecem as bases para os próximos estudos no próximo CLAS12 e os experimentos planejados do EIC, onde se pode investigar a dispersão do diquark com mais detalhes”, disse Chetry.
El Fassi também é co-porta-voz das medições CLAS12 de propagação de quarks e formação de hádrons. Quando os dados dos novos experimentos estiverem finalmente prontos, os físicos irão compará-los com as previsões do QCD para refinar ainda mais essa teoria.
“Qualquer nova medição que forneça novas informações para entender a dinâmica de interações fortes é muito importante”, disse ela.
Publicado em 01/06/2023 15h14
Artigo original: