Dada a escolha de três diferentes orientações de “spin”, certas partículas emergentes de colisões no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), um esmagador de átomos no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), parecem ter uma preferência. Conforme descrito em um artigo recém-publicado em Natureza pela colaboração STAR do RHIC, os resultados revelam uma preferência no alinhamento de rotação global de partículas chamadas mésons phi. Mecanismos convencionais – como a força do campo magnético ou a turbulência da matéria gerada nas colisões de partículas – não podem explicar os dados. Mas um novo modelo que inclua flutuações locais na força nuclear forte pode.
“Pode ser que as fortes flutuações de força sejam o fator que falta. Anteriormente, não tínhamos percebido que a força forte pode influenciar a rotação das partículas dessa maneira”, disse Aihong Tang, físico do STAR em Brookhaven que esteve envolvido na análise.
Esta explicação ainda está sujeita a debate e é necessária mais verificação, dizem os físicos do STAR. Mas se for verdade, “essas medições nos dão uma maneira de avaliar quão grandes são as flutuações locais na força forte. Elas fornecem um novo caminho para estudar a força forte de uma perspectiva diferente”, disse Tang.
Desbloqueando a força forte
Como o próprio nome indica, a força forte é a mais forte das quatro forças fundamentais da natureza. É o que mantém unidos os blocos de construção dos átomos – os prótons e nêutrons que compõem os núcleos atômicos, bem como deles blocos de construção internos, quarks e glúons.
O RHIC, uma instalação do DOE Office of Science para pesquisa de física nuclear, foi construído em grande parte para que os cientistas possam estudar essa força. Eles fazem isso esmagando os núcleos de átomos pesados que giram em torno dos anéis aceleradores gêmeos do RHIC em direções opostas quase à velocidade da luz. As colisões frontais “derretem” os limites de prótons e nêutrons individuais, liberando os quarks e glúons normalmente confinados para criar um plasma quark-gluon (QGP). O STAR tira instantâneos e coleta dados detalhados sobre as partículas que emergem dessas colisões para que os cientistas possam aprender sobre como os quarks e glúons interagem.
Decifrando alinhamentos de rotação
Medições anteriores do STAR revelaram que, quando os núcleos de ouro colidem de maneira um tanto descentralizada, o impacto superficial faz girar a sopa quente de quarks e glúons. Os cientistas mediram a “vorticidade” do turbilhão de plasma quark-gluon rastreando sua influência nos spins de certas partículas que emergem das colisões.
Você pode pensar em rotação como semelhante à rotação de um planeta como a Terra, com pólos norte e sul. Para as partículas neste estudo anterior (lambda hyperons), o grau em que seus eixos de rotação se alinham com o momento angular gerado em cada colisão fora do centro é um proxy direto para medir a turbulência do QGP.
Análises STAR mais recentes procuraram medir o alinhamento de spin de diferentes tipos de partículas, incluindo o phi e o K*0 mésons relatados no atual Natureza papel. Para essas partículas, não há apenas duas orientações direcionais de spin (“norte” e “sul”), mas três possíveis orientações.
Como no estudo anterior, os físicos do STAR mediram o alinhamento do spin dessas partículas rastreando a distribuição de seus produtos de decaimento em relação à direção perpendicular ao plano de reação dos núcleos em colisão. Para o phi e K*0 mésons, os cientistas traduzem essas medições em uma probabilidade de que a partícula pai esteja em um dos três estados de spin.
“Se a probabilidade de cada um desses três estados for igual a um terço, isso significa que não há preferência para que a partícula esteja em qualquer um desses três estados de alinhamento de spin”, explicou o físico Xu Sun do STAR, ex-colega de pós-doutorado da Universidade de Illinois em Chicago, que recentemente ingressou no Institute of Modern Physics, China, como cientista da equipe.
Isso é essencialmente o que os cientistas descobriram para o K*0 partículas — sem preferência. Mas para os mésons phi, houve um forte sinal de que um estado era preferido em relação aos outros dois.
“De alguma forma, a natureza decidiu que os mésons phi têm preferência na escolha de um desses estados”, disse Sun.
Explicando a preferência
Chensheng Zhou – que trabalha com Tang nessas medições desde 2016, começando quando ele era um estudante de pós-graduação na Fudan University na China – apresentou as descobertas preliminares em uma conferência na Stony Brook University em 2017. Essa apresentação levou os teóricos a fazer várias tenta explicar as descobertas com mecanismos convencionais – incluindo vorticidade, campo magnético, fragmentação e outros. A curiosidade continuou a crescer quando o colaborador do STAR, Subhash Singha, do Instituto de Física Moderna, discutiu o resultado em conferências em 2019 (quando ele era pós-doutorando na Kent State University) e 2022.
Enquanto isso, os físicos do STAR verificaram suas análises, realizaram novas análises e reduziram a incerteza de seus resultados.
“Nossos resultados resistiram a esse escrutínio e ainda assim os números não batem”, disse Tang. Descrever o alinhamento global do spin do méson phi usando apenas os mecanismos convencionais resultaria em um valor menor do que o medido pelos cientistas no STAR.
Os teóricos recentemente tiveram a ideia de que flutuações locais na força forte dentro do plasma quark-gluon poderiam estar conduzindo a aparente preferência de alinhamento de spin dos mésons phi. Compreendendo os diferentes componentes quark do phi e K*0 mésons podem ajudar a explicar como isso acontece – e fornecer uma maneira de conduzir mais testes.
Xin-Nian Wang, um teórico do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE, explicou que cada méson phi é feito de um quark e antiquark da mesma família de “sabor” (estranho e anti-estranho). Efeitos de força forte tendem a se somar e influenciar essas partículas de mesmo sabor na mesma direção.
K*0 os mésons, por outro lado, são formados por pares quark-antiquark de diferentes sabores (down e anti-strange). “Com essa mistura de sabores, a força forte está apontando em direções diferentes, então sua influência não apareceria tanto quanto no méson phi”, disse Wang.
Para testar essa ideia, os físicos do STAR planejam estudar o alinhamento de spin global de outro méson feito de quarks da mesma família de sabor – a partícula J/psi (feita de quarks charm e anti-charm).
“Isso está na lista de afazeres da STAR para as execuções RHIC de 2023 e 2025”, disse Sun.
Encontrar uma preferência global de alinhamento de spin para partículas J/psi adicionaria suporte à explicação da força forte. Também validaria a abordagem de usar o alinhamento de rotação global dessas partículas como uma forma de estudar as flutuações locais de força forte no QGP.
“Mesmo após mais de 22 anos de operação, o RHIC continua a aprimorar nossa compreensão da natureza, surpreendendo-nos com novas descobertas”, disse Tang.
Colaboradores adicionais para as análises que levaram a esses resultados incluem: Jinhui Chen (Fudan University), Declan Keane (Kent State University) e Yugang Ma (Fudan University).
Esta pesquisa foi financiada pelo DOE Office of Science (NP), pela US National Science Foundation e por uma série de organizações e agências internacionais listadas no artigo científico. A equipe STAR usou recursos de computação no Centro de Dados Científicos e Computação no Brookhaven Lab, no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa de Energia (NERSC) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE e no consórcio Open Science Grid.
Com informações de Science Daily.