Físicos descobriram arranjo oculto em colisões intensas de prótons
As colisões de prótons de alta energia podem ser imaginadas como um mar agitado de quarks e gluons, incluindo partículas virtuais de curta duração. À primeira vista, esse ambiente extremo parece muito mais complexo do que a fase posterior, quando partículas mais estáveis e em menor número se dispersam do ponto de colisão. Poder-se-ia esperar…
As colisões de prótons de alta energia podem ser imaginadas como um mar agitado de quarks e gluons, incluindo partículas virtuais de curta duração. À primeira vista, esse ambiente extremo parece muito mais complexo do que a fase posterior, quando partículas mais estáveis e em menor número se dispersam do ponto de colisão. Poder-se-ia esperar que as partículas nessa fase inicial se comportassem de maneira muito diferente. No entanto, dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) mostram que essa intuição é enganosa. Os resultados são melhor explicados por um modelo refinado que captura como as colisões de prótons realmente se desenrolam.
Quando dois prótons colidem em energias muito altas, uma enorme quantidade de eventos ocorre em um instante. Prótons são hádrons, o que significa que são feitos de partons, que incluem quarks e os gluons que os mantêm unidos. Durante uma colisão, esses quarks e gluons, incluindo os virtuais que aparecem apenas brevemente, interagem de maneiras complicadas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons que se dispersam para fora e são detectados por experimentos. Com base nessa imagem, parece razoável supor que a desordem do sistema, conhecida como entropia, deve mudar entre a fase inicial de partons e a fase posterior de hádrons. A fase de partons parece especialmente caótica, com muitas partículas interagindo ao mesmo tempo.
Novas Pesquisas sobre Entropia em Colisões de Prótons
Os últimos achados sobre essa questão foram publicados na Physical Review D pelos Prof. Krzysztof Kutak e Dr. Sandor Lokos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Seu trabalho se concentra na comparação da entropia na fase inicial de quarks e gluons com a entropia das partículas eventualmente produzidas e medidas.
“Na física de altas energias, os chamados modelos de dipolos têm sido usados há algum tempo para descrever a evolução de sistemas de gluons densos. Esses modelos assumem que cada gluon pode ser representado por um par quark-antiquark que forma um dipolo de duas cores – aqui não estamos falando de cores comuns, mas da carga de cor que é uma propriedade quântica dos gluons. Modelos de dipolo baseados no número médio de hádrons produzidos em uma colisão nos permitem estimar a entropia dos partons,” explica o Prof. Kutak, que estuda a entropia de sistemas de quarks e gluons há mais de dez anos.
Melhorando os Modelos de Dipolo com Novas Ideias
Há dois anos, o Prof. Kutak e o Dr. Pawel Caputa da Universidade de Estocolmo introduziram uma versão atualizada do modelo de dipolo. Eles partiram de um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de gluons evoluem e o trataram como a contribuição dominante. Em seguida, adicionaram efeitos adicionais que se tornam importantes em energias de colisão mais baixas, onde menos hádrons são produzidos. Este avanço foi possível porque os pesquisadores identificaram vínculos entre as equações usadas nos modelos de dipolo e aquelas encontradas na teoria da complexidade.
Para testar esse modelo de dipolo generalizado, o Dr. Lokos sugeriu compará-lo com dados experimentais reais do LHC. Medidas dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb foram incluídas. Juntos, esses dados abrangem uma ampla gama de energias de colisão, de 0,2 teraeletronvolts até 13 TeV, que é a maior energia atualmente alcançada no LHC.
“Em nosso artigo, mostramos que o modelo de dipolo generalizado descreve os dados existentes com mais precisão do que os modelos de dipolo anteriores e, além disso, funciona bem em uma gama mais ampla de energias de colisão de prótons,” diz o Prof. Kutak.
Entropia e uma Regra Fundamental da Mecânica Quântica
Isso levanta uma questão chave. A entropia durante a fase dominada por quarks e gluons de uma colisão de prótons difere da entropia dos hádrons que posteriormente escapam da zona de colisão? De acordo com a fórmula de Kharzeev-Levin para entropia, não deveria. A nova análise confirma essa previsão. Embora esse resultado surpreenda alguns físicos, outros o veem como um resultado natural de um dos princípios mais básicos da mecânica quântica conhecido como unitariedade.
A unitariedade pode soar abstrata, mas a ideia em si é simples. As equações que descrevem como um sistema quântico evolui ao longo do tempo devem conservar a probabilidade total, que sempre soma um, e devem permitir que processos sejam revertidos. Simplificando, a unitariedade significa que informações e probabilidades não podem desaparecer ou aparecer do nada.
“A unitariedade da mecânica quântica é algo que os estudantes de física aprendem. O formalismo da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve o mundo dos quarks e gluons, é baseado na unitariedade. No entanto, lidar com uma teoria que apresenta uma certa característica no nível de quarks e gluons no dia a dia é uma coisa, e observar isso em dados reais sobre hádrons produzidos é outra,” observa o Prof. Kutak. Ele acrescenta que a unitariedade torna possível extrair informações sobre a entropia dos partons em uma ampla gama de energias de colisão.
Próximos Passos para Testar o Modelo
Testes adicionais do modelo de dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após a atualização planejada do LHC, o detector ALICE melhorado poderá estudar regiões onde as interações de gluons são ainda mais densas do que as examinadas até agora. Insights adicionais também devem ser esperados do Colisor Elétron-Ion (EIC), que está em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos. No EIC, elétrons colidirão com prótons. Como os elétrons são partículas elementares, esses experimentos oferecerão uma maneira mais clara de investigar sistemas densos de gluons dentro de prótons individuais.
