Uma nova análise computacional feita por teóricos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e da Wayne State University apóia a ideia de que os fótons (também conhecidos como partículas de luz) colidindo com íons pesados podem criar um fluido de partículas “fortemente interativas”. Em um artigo publicado recentemente na Physical Review Letters, eles mostram que os cálculos que descrevem esse sistema correspondem aos dados coletados pelo detector ATLAS no Grande Colisor de Hádrons (LHC) da Europa.
Como explica o artigo, os cálculos são baseados no fluxo hidrodinâmico de partículas visto em colisões frontais de vários tipos de íons tanto no LHC quanto no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), uma instalação do DOE Office of Science para pesquisa em física nuclear. no Brookhaven Lab. Com apenas mudanças modestas, esses cálculos também descrevem os padrões de fluxo observados em colisões próximas, onde os fótons que formam uma nuvem ao redor dos íons em alta velocidade colidem com os íons no feixe oposto.
“O resultado é que, usando a mesma estrutura que usamos para descrever colisões chumbo-chumbo e próton-chumbo, podemos descrever os dados dessas colisões ultraperiféricas, onde temos um fóton colidindo com um núcleo de chumbo”, disse Bjoern, teórico do Brookhaven Lab. Schenke, coautor do artigo. “Isso indica que existe a possibilidade de que, nessas colisões de fótons e íons, criemos um pequeno meio denso e fortemente interativo que é bem descrito pela hidrodinâmica – assim como nos sistemas maiores”.
Assinaturas fluidas
Observações de partículas fluindo de maneiras características têm sido evidências importantes de que os sistemas de colisão maiores (colisões chumbo-chumbo e próton-chumbo no LHC; e colisões ouro-ouro e próton-ouro no RHIC) criam um fluido quase perfeito. Pensava-se que os padrões de fluxo derivavam dos enormes gradientes de pressão criados pelo grande número de partículas fortemente interativas produzidas onde os íons em colisão se sobrepõem.
“Ao esmagar esses núcleos de alta energia, estamos criando uma densidade de energia tão alta – comprimindo a energia cinética desses caras em um espaço tão pequeno – que esse material se comporta essencialmente como um fluido”, disse Schenke.
Espera-se que partículas esféricas (incluindo prótons e núcleos) colidindo de frente gerem um gradiente de pressão uniforme. Mas as colisões parcialmente sobrepostas geram um gradiente de pressão oblongo em forma de amêndoa que empurra mais partículas de alta energia ao longo do eixo curto do que perpendicularmente a ele.
Esse padrão de “fluxo elíptico” foi um dos primeiros indícios de que as colisões de partículas no RHIC poderiam criar um plasma quark-gluon, ou QGP – uma sopa quente dos blocos de construção fundamentais que compõem os prótons e nêutrons de núcleos/íons. A princípio, os cientistas ficaram surpresos com o comportamento líquido do QGP. Mais tarde, porém, eles estabeleceram o fluxo elíptico como uma característica definidora do QGP e a evidência de que os quarks e glúons ainda interagiam fortemente, mesmo quando livres de confinamento em prótons e nêutrons individuais. Observações posteriores de padrões de fluxo semelhantes em colisões de prótons com núcleos grandes sugerem de forma intrigante que esses sistemas de colisão próton-núcleo também podem criar pequenas partículas de sopa de quark-glúon.
“Nosso novo artigo trata de levar isso a extremos ainda maiores, observando colisões entre fótons e núcleos”, disse Schenke.
Mudando o projétil
Há muito se sabe que colisões ultraperiféricas podem criar interações fóton-núcleo, usando os próprios núcleos como fonte dos fótons. Isso ocorre porque as partículas carregadas aceleradas a altas energias, como os núcleos/íons de chumbo acelerados no LHC (e os íons de ouro no RHIC), emitem ondas eletromagnéticas – partículas de luz. Assim, cada íon de chumbo acelerado no LHC é essencialmente cercado por uma nuvem de fótons.
“Quando dois desses íons passam muito próximos um do outro sem colidir, você pode pensar em um deles emitindo um fóton, que então atinge o íon de chumbo indo na direção oposta”, disse Schenke. “Esses eventos acontecem muito; é mais fácil para os íons quase não errarem do que baterem um no outro com precisão.”
Os cientistas do ATLAS publicaram recentemente dados sobre sinais intrigantes de fluxo dessas colisões de núcleos de fótons.
“Tivemos que configurar técnicas especiais de coleta de dados para identificar essas colisões únicas”, disse Blair Seidlitz, um físico da Universidade de Columbia que ajudou a configurar o sistema de gatilho ATLAS para a análise quando era estudante de pós-graduação na Universidade do Colorado, Boulder. “Depois de coletar dados suficientes, ficamos surpresos ao encontrar sinais de fluxo semelhantes aos observados em colisões chumbo-chumbo e próton-chumbo, embora fossem um pouco menores”.
Schenke e seus colaboradores decidiram ver se seus cálculos teóricos poderiam descrever com precisão os padrões de fluxo de partículas.
Eles usaram os mesmos cálculos hidrodinâmicos que descrevem o comportamento das partículas produzidas em sistemas de colisão chumbo-chumbo e próton-chumbo. Mas eles fizeram alguns ajustes para explicar o “projétil” atingindo o núcleo de chumbo mudando de um próton para um fóton.
De acordo com as leis da física (especificamente, eletrodinâmica quântica), um fóton pode sofrer flutuações quânticas para se tornar outra partícula com os mesmos números quânticos. Um méson rho, uma partícula feita de uma combinação particular de um quark e antiquark unidos por glúons, é um dos resultados mais prováveis dessas flutuações de fótons.
Se você pensar no próton – feito de três quarks – essa partícula ro de dois quarks é apenas um degrau abaixo na escada da complexidade.
“Em vez de ter uma distribuição de glúon em torno de três quarks dentro de um próton, temos os dois quarks (quark-antiquark) com uma distribuição de glúon em torno daqueles para colidir com o núcleo”, disse Schenke.
Contabilização de energia
Os cálculos também tiveram que levar em conta a grande diferença de energia nesses sistemas de colisão fóton-núcleo, em comparação com próton-chumbo e especialmente chumbo-chumbo.
“O fóton emitido que está colidindo com o chumbo não carregará todo o momento do núcleo de chumbo de onde veio, mas apenas uma pequena fração disso. Portanto, a energia da colisão será muito menor”, disse Schenke.
Essa diferença de energia acabou sendo ainda mais importante do que a troca de projétil.
Nas colisões de íons pesados chumbo-chumbo ou ouro-ouro mais energéticas, o padrão de partículas que emergem no plano transversal aos feixes em colisão geralmente persiste, não importa o quão longe você olhe do ponto de colisão ao longo da linha de luz (na direção longitudinal). Mas quando Schenke e colaboradores modelaram os padrões de partículas que deveriam emergir de colisões de fótons e chumbo de baixa energia, ficou claro que incluir os detalhes 3D da direção longitudinal fazia diferença. O modelo mostrou que a geometria das distribuições de partículas muda rapidamente com o aumento da distância longitudinal; as partículas tornam-se “decorrelacionadas”.
“As partículas veem diferentes gradientes de pressão dependendo de sua posição longitudinal”, explicou Schenke.
“Portanto, para essas colisões de fótons e chumbo de baixa energia, é importante executar um modelo hidrodinâmico 3D completo (que é mais exigente computacionalmente) porque a distribuição de partículas muda mais rapidamente à medida que você sai na direção longitudinal”, disse ele.
Quando os teóricos compararam suas previsões usando este modelo hidrodinâmico 3D de baixa energia com os padrões de fluxo de partículas observados em colisões de fótons pelo detector ATLAS, os dados e a teoria combinaram bem, pelo menos para o padrão de fluxo elíptico mais óbvio , Schenke disse.
Implicações e o futuro
“A partir deste resultado, parece concebível que, mesmo em colisões de íons pesados de fótons, tenhamos um fluido fortemente interativo que responde à geometria de colisão inicial, conforme descrito pela hidrodinâmica”, disse Schenke. “Se as energias e temperaturas forem altas o suficiente”, acrescentou, “haverá um plasma de quark-gluon”.
Seidlitz, o físico do ATLAS, comentou: “Foi muito interessante ver esses resultados sugerindo a formação de uma pequena gota de plasma de quark-gluon, bem como esta análise teórica oferece explicações concretas sobre por que as assinaturas de fluxo são um pouco menores em colisões de fótons-chumbo.”
Dados adicionais a serem coletados pelo ATLAS e outros experimentos no RHIC e no LHC nos próximos anos permitirão análises mais detalhadas de partículas que fluem de colisões de fótons-núcleos. Essas análises ajudarão a distinguir o cálculo hidrodinâmico de outra explicação possível, na qual os padrões de escoamento não são resultado da resposta do sistema à geometria inicial.
No futuro a longo prazo, experimentos em um Colisor de Íons Eletrônicos (EIC), uma instalação planejada para substituir o RHIC na próxima década no Brookhaven Lab, podem fornecer conclusões mais definitivas.
Publicado em 18/12/2022 11h44
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