LHC detecta grande produção de partículas estranhas

Com informações da Agência Fapesp -  27/04/2017

Partículas formadas em colisão de núcleos de chumbo, registradas pelo detector ALICE, no LHC. A grande abundância de hádrons estranhos, decorrente do choque central de núcleos pesados, foi obtida também em colisões de prótons. [Imagem: CERN/LHC/ALICE]

Plasma de quarks e glúons

O detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment), um dos quatro grandes sensores do LHC, identificou uma produção abundante de hádrons dotados de quarks estranhos durante colisões próton-próton realizadas no maior acelerador de partículas do mundo.

Foi a primeira vez que esses objetos, observados com crescente frequência nas colisões de núcleos pesados (chumbo-chumbo e ouro-ouro), foram detectados em tão grande abundância também no choque de partículas tão leves quanto o próton.

A produção abundante de hádrons com quarks estranhos é considerada uma espécie de assinatura do plasma de quarks e glúons - um estado extremamente quente e denso da matéria que teria existido durante uma diminuta fração de segundo após o Big Bang e que agora está sendo recriado nos dois grandes colisores de partículas da atualidade, o LHC (Large Hadron Collider, na Europa, e o RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), nos EUA.

"A grande novidade foi observar essa produção abundante de hádrons com quarks estranhos na colisão de sistemas tão pequenos quanto os prótons," comentou o físico Alexandre Suaide, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. "Os fenômenos que caracterizam o plasma de quarks e glúons estão sendo observados em colisões de sistemas cada vez menores. E isso é algo que, alguns anos atrás, não tínhamos ideia de que poderia acontecer."

O experimento teve a participação decisiva de vários pesquisadores brasileiros, incluindo David Dobrigkeit Chinellato, do Instituto de Física da Unicamp, que atuou como coordenador internacional de um dos grupos do ALICE, o grupo "Light Flavour".

Estado efêmero

A produção de hádrons com quarks estranhos nas colisões próton-próton sugere que o plasma de quarks e glúons possa ser produzido também no choque dessas partículas muito pequenas, e não apenas na colisão de núcleos pesados, chumbo-chumbo (no LHC) ou ouro-ouro (no RHIC), como já se admitia.

Mas os pesquisadores consideram prematuro afirmar isso de maneira taxativa. "É preciso fazer medições mais detalhadas, relacionando os hádrons dotados de quarks estranhos com outros observáveis resultantes da colisão. Assim, poderemos acrescentar novas peças ao quebra-cabeça, até chegar, eventualmente, à figura completa," ponderou Suaide.

Essa cautela se justifica, entre outros motivos, pelo fato de o plasma de quarks e glúons não poder ser observado diretamente. Ele é extremamente efêmero. E, nos experimentos realizados no LHC e no RHIC, seu suposto tempo de duração é da ordem de 10^-23 segundos. O que os pesquisadores de fato observam são os objetos que se formam depois que os quarks e os glúons deixam de se movimentar livremente no plasma e voltam a ser encapsulados em hádrons.

O detector ALICE foi especialmente projetado para estudar as condições do Universo primordial, logo depois do Big Bang, quando se acredita que o Universo era líquido. [Imagem: Cern]

O que são hádrons estranhos

O conceito de "estranheza" [strangeness, em inglês] foi proposto nos anos 1950 por Murray Gell-Mann, Abraham Pais e Kazuhiko Nishijima, para caracterizar a propriedade que fazia com que certas partículas sobrevivessem por mais tempo do que o esperado. A estranheza, simbolizada pela letra "S" maiúscula, é uma propriedade física, expressa por meio de um número quântico.

O conceito de quark surgiu mais tarde, já na década de 1960, proposto independentemente por Murray Gell-Mann e George Zweig. E, ao longo dos anos, vários tipos de quarks foram descobertos. Um deles recebeu o nome de "estranho" pelo fato de sua existência oferecer uma explicação para a propriedade da estranheza. O quark estranho passou a ser simbolizado pela letra "s" minúscula. É um dos seis quarks reconhecidos pelo Modelo Padrão da Física de Partículas: para cima (up), para baixo (down), charme, estranho, superior (top) e inferior (bottom). Sua massa é várias vezes maior do que as do up e do down, que compõem os prótons e os nêutrons.

Os "hádrons estranhos" são partículas maiores, que recebem esse nome por conterem ao menos um quark estranho. São objetos fugazes, como o Káon, o Lâmbda, o Xi (pronuncia-se Csi) e o Ômega, que se tornaram, por assim dizer, "familiares" nos experimentos envolvendo colisões de núcleos pesados, chumbo-chumbo e ouro-ouro. O que os novos dados indicam é que esses hádrons estranhos foram encontrados em abundâncias inesperadamente grandes em colisões próton-próton nas quais um elevado número de partículas foi produzido.

"Desde os anos 1980, a abundância relativa de hádrons estranhos tem sido apontada como uma possível assinatura da formação do plasma de quarks e glúons em colisões centrais de núcleos pesados. O que o novo estudo mostrou foi que esses objetos também são produzidos em grande abundância em colisões próton-próton quando há uma grande multiplicidade de partículas formadas. A grande multiplicidade de partículas formadas é um indicador do alto patamar de energia alcançado no choque, aproximando-se daquilo que se observa nas colisões centrais núcleo-núcleo.

"A formação do plasma de quarks e glúons gera mecanismos que facilitam a produção subsequente de hádrons estranhos - mecanismos que não estariam presentes se não houvesse o plasma. Por isso, a detecção de hádrons estranhos pode ser considerada um indício, uma assinatura, da formação prévia do plasma de quarks e glúons. Mas poderia haver uma outra explicação, não relacionada com o plasma, para esse aumento de partículas estranhas. E, nesse caso, teríamos, até mesmo, que reinterpretar aquilo que acontece nas colisões núcleo-núcleo," detalhou o físico Marcelo Gameiro Munhoz.

Bibliografia:

Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton-proton collisions
ALICE Collaboration
Nature Physics
DOI: 10.1038/nphys4111