Em busca de uma previsão de 87 anos de que a matéria pode ser gerada diretamente da luz, os físicos da Rice University e seus colegas detalharam como esse processo pode impactar futuros estudos de plasma primordial e física além do Modelo Padrão.
“Estamos essencialmente olhando para as colisões de luz”, disse Wei Li, professor associado de física e astronomia da Rice e co-autor do estudo publicado na Physical Review Letters.
“Sabemos por Einstein que a energia pode ser convertida em massa”, disse Li, um físico de partículas que colabora com centenas de colegas em experimentos com aceleradores de partículas de alta energia, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear e o Brookhaven National Laboratório de Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC).
Aceleradores como RHIC e LHC rotineiramente transformam energia em matéria, acelerando pedaços de átomos próximos à velocidade da luz e colidindo-os uns com os outros. A descoberta da partícula de Higgs em 2012 no LHC é um exemplo notável. Na época, o Higgs era a partícula final não observada no Modelo Padrão, uma teoria que descreve as forças fundamentais e os blocos de construção dos átomos.
Por mais impressionante que seja, os físicos sabem que o Modelo Padrão explica apenas cerca de 4% da matéria e energia do universo. Li disse que o estudo desta semana, de autoria principal do pesquisador de pós-doutorado de Rice Shuai Yang, tem implicações para a busca da física além do Modelo Padrão.
“Há artigos prevendo que você pode criar novas partículas a partir dessas colisões de íons, que temos uma densidade tão alta de fótons nessas colisões que essas interações fóton-fóton podem criar uma nova física além do modelo padrão”, disse Li.
Yang disse: “Para procurar uma nova física, deve-se entender os processos do Modelo Padrão com muita precisão. O efeito que vimos aqui não foi considerado anteriormente quando as pessoas sugeriram o uso de interações fóton-fóton para procurar uma nova física. E é extremamente importante levar isso em consideração. ”
O efeito que Yang e colegas detalharam ocorre quando os físicos aceleram feixes opostos de íons pesados em direções opostas e apontam os feixes um para o outro. Os íons são núcleos de elementos massivos como ouro ou chumbo, e os aceleradores de íons são particularmente úteis para estudar a força forte, que liga os blocos de construção fundamentais chamados quarks nos nêutrons e prótons dos núcleos atômicos. Os físicos usaram colisões de íons pesados para superar essas interações e observar quarks e glúons, as partículas que os quarks trocam quando interagem por meio da força forte.
Mas os núcleos não são as únicas coisas que colidem em pesados aceleradores de íons. Os feixes de íons também produzem campos elétricos e magnéticos que envolvem cada núcleo do feixe com sua própria nuvem de luz. Essas nuvens se movem com os núcleos e, quando as nuvens de feixes opostos se encontram, partículas individuais de luz chamadas fótons podem se encontrar de frente.
Em um estudo PRL publicado em julho, Yang e colegas usaram dados do RHIC para mostrar que as colisões fóton-fóton produzem matéria a partir de energia pura. Nos experimentos, as colisões de luz ocorreram junto com as colisões de núcleos que criaram uma sopa primordial chamada plasma quark-gluon, ou QGP.
“No RHIC, você pode fazer com que a colisão fóton-fóton crie sua massa ao mesmo tempo que a formação do plasma quark-gluon”, disse Yang. “Então, você está criando esta nova massa dentro do plasma quark-gluon.”
Ph.D. de Yang o trabalho de tese sobre os dados RHIC publicados na PRL em 2018 sugeriu que as colisões de fótons podem estar afetando o plasma de uma forma leve, mas mensurável. Li disse que isso era intrigante e surpreendente, porque as colisões de fótons são fenômenos eletromagnéticos, e os plasmas quark-glúons são dominados pela força forte, que é muito mais poderosa do que a força eletromagnética.
“Para interagir fortemente com o plasma quark-gluon, apenas ter carga elétrica não é suficiente”, disse Li. “Você não espera que ele interaja muito fortemente com o plasma quark-gluon.”
Ele disse que várias teorias foram oferecidas para explicar as descobertas inesperadas de Yang.
“Uma explicação proposta é que a interação fóton-fóton parecerá diferente não por causa do plasma quark-gluon, mas porque os dois íons simplesmente ficam mais próximos um do outro”, disse Li. “Está relacionado aos efeitos quânticos e como os fótons interagem uns com os outros.”
Se os efeitos quânticos tivessem causado as anomalias, concluiu Yang, eles poderiam criar padrões de interferência detectáveis quando os íons se perdessem por pouco, mas os fótons de suas respectivas nuvens de luz colidissem.
“Portanto, os dois íons não se chocam diretamente”, disse Yang. “Eles realmente passam. É chamada de colisão ultraperiférica, porque os fótons colidem, mas os íons não se atingem.”
A teoria sugere que os padrões de interferência quântica de colisões ultraperiféricas fóton-fóton devem variar em proporção direta à distância entre os íons que passam. Usando dados do experimento Compact Muon Solenóide (CMS) do LHC, Yang, Li e colegas descobriram que podiam determinar essa distância, ou parâmetro de impacto, medindo algo totalmente diferente.
“Os dois íons, à medida que se aproximam, há uma probabilidade maior de que o íon fique excitado e comece a emitir nêutrons, que vão direto para a linha do feixe”, disse Li. “Temos um detector para isso no CMS.”
Cada colisão ultraperiférica fóton-fóton produz um par de partículas chamadas múons que normalmente voam da colisão em direções opostas. Conforme previsto pela teoria, Yang, Li e colegas descobriram que a interferência quântica distorceu o ângulo de partida dos múons. E quanto menor a distância entre os íons de quase-missão, maior a distorção.
Li disse que o efeito surge do movimento dos fótons em colisão. Embora cada um esteja se movendo na direção do feixe com seu íon hospedeiro, os fótons também podem se mover para longe de seus hospedeiros.
“Os fótons também se movem na direção perpendicular”, disse ele. “E acontece, exatamente, que esse movimento perpendicular fica mais forte à medida que o parâmetro de impacto fica cada vez menor.
“Isso faz parecer que algo está modificando os múons”, disse Li. “Parece que um está indo em um ângulo diferente do outro, mas na verdade não é. É um artefato da maneira como o movimento do fóton estava mudando, perpendicular à direção do feixe, antes da colisão que gerou os múons.”
Yang disse que o estudo explica a maioria das anomalias que ele identificou anteriormente. Enquanto isso, o estudo estabeleceu uma nova ferramenta experimental para controlar o parâmetro de impacto das interações de fótons que terão impactos de longo alcance.
“Podemos dizer confortavelmente que a maioria veio desse efeito QED”, disse ele. “Mas isso não exclui que ainda existam efeitos relacionados ao plasma do quark-gluon. Este trabalho nos dá uma linha de base muito precisa, mas precisamos de dados mais precisos. Ainda temos pelo menos 15 anos para coletar dados QGP em CMS, e a precisão dos dados ficará cada vez mais alta. ”
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