Nos primeiros milionésimos de segundo após o Big Bang, o universo era um plasma turbulento de trilhões de graus de quarks e glúons – partículas elementares que se aglomeravam brevemente em inúmeras combinações antes de esfriar e se estabelecer em configurações mais estáveis para formar os nêutrons e prótons da matéria ordinária.
No caos antes do resfriamento, uma fração desses quarks e glúons colidiu aleatoriamente para formar partículas “X” de vida curta, assim chamadas por suas estruturas misteriosas e desconhecidas. Hoje, as partículas X são extremamente raras, embora os físicos tenham teorizado que elas podem ser criadas em aceleradores de partículas através da coalescência de quarks, onde colisões de alta energia podem gerar flashes semelhantes de plasma quark-glúon.
Agora, físicos do Laboratório de Ciência Nuclear do MIT e de outros lugares encontraram evidências de partículas X no plasma quark-glúon produzido no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, com sede perto de Genebra, na Suíça.
A equipe usou técnicas de aprendizado de máquina para filtrar mais de 13 bilhões de colisões de íons pesados, cada uma das quais produziu dezenas de milhares de partículas carregadas. Em meio a essa sopa de partículas ultradensa e de alta energia, os pesquisadores conseguiram extrair cerca de 100 partículas X, de um tipo conhecido como X (3872), nomeado para a massa estimada da partícula.
Os resultados, publicados esta semana na Physical Review Letters, marcam a primeira vez que os pesquisadores detectaram partículas X no plasma de quark-glúon – um ambiente que eles esperam que ilumine a estrutura ainda desconhecida das partículas.
“Este é apenas o começo da história”, diz o principal autor Yen-Jie Lee, professor associado de Física da Classe de Desenvolvimento de Carreira de 1958 no MIT. “Mostramos que podemos encontrar um sinal. Nos próximos anos queremos usar o plasma quark-glúon para sondar a estrutura interna da partícula X, o que pode mudar nossa visão de que tipo de material o universo deve produzir.”
Os co-autores do estudo são membros da CMS Collaboration, uma equipe internacional de cientistas que opera e coleta dados do Compact Muon Solenoid, um dos detectores de partículas do LHC.
Partículas no plasma
Os blocos de construção básicos da matéria são o nêutron e o próton, cada um dos quais é feito de três quarks fortemente ligados.
“Durante anos pensamos que, por algum motivo, a natureza havia escolhido produzir partículas feitas apenas de dois ou três quarks”, diz Lee.
Só recentemente os físicos começaram a ver sinais de “tetraquarks” exóticos — partículas feitas de uma rara combinação de quatro quarks. Os cientistas suspeitam que X (3872) seja um tetraquark compacto ou um tipo inteiramente novo de molécula feita não de átomos, mas de dois mésons frouxamente ligados – partículas subatômicas que são feitas de dois quarks.
X (3872) foi descoberto pela primeira vez em 2003 pelo experimento Belle, um colisor de partículas no Japão que esmaga elétrons e pósitrons de alta energia. Dentro desse ambiente, no entanto, as partículas raras decaíram muito rapidamente para que os cientistas examinassem sua estrutura em detalhes. Tem sido levantada a hipótese de que X (3872) e outras partículas exóticas podem ser melhor iluminadas no plasma de quarks-glúons.
“Teoricamente falando, há tantos quarks e glúons no plasma que a produção de partículas X deveria ser aumentada”, diz Lee. “Mas as pessoas pensaram que seria muito difícil procurá-los porque existem muitas outras partículas produzidas nesta sopa de quarks”.
‘Realmente um sinal’
Em seu novo estudo, Lee e seus colegas procuraram sinais de partículas X dentro do plasma quark-glúon gerado por colisões de íons pesados no Grande Colisor de Hádrons do CERN. Eles basearam sua análise no conjunto de dados de 2018 do LHC, que incluiu mais de 13 bilhões de colisões de íons de chumbo, cada uma das quais liberou quarks e glúons que se espalharam e se fundiram para formar mais de um quatrilhão de partículas de vida curta antes de esfriar e decair.
“Depois que o plasma quark-gluon se forma e esfria, há tantas partículas produzidas que o fundo é esmagador”, diz Lee. “Então tivemos que derrubar esse fundo para que pudéssemos ver as partículas X em nossos dados”.
Para fazer isso, a equipe usou um algoritmo de aprendizado de máquina que eles treinaram para escolher padrões de decaimento característicos de partículas X. Imediatamente após as partículas se formarem no plasma de quark-glúons, elas rapidamente se decompõem em partículas “filhas” que se espalham. Para partículas X, esse padrão de decaimento, ou distribuição angular, é distinto de todas as outras partículas.
Os pesquisadores, liderados pelo pós-doutorando do MIT Jing Wang, identificaram variáveis-chave que descrevem a forma do padrão de decaimento da partícula X. Eles treinaram um algoritmo de aprendizado de máquina para reconhecer essas variáveis e, em seguida, alimentaram o algoritmo com dados reais dos experimentos de colisão do LHC. O algoritmo foi capaz de vasculhar o conjunto de dados extremamente denso e barulhento para escolher as principais variáveis que provavelmente eram resultado de partículas X em decomposição.
“Conseguimos diminuir o fundo em ordens de magnitude para ver o sinal”, diz Wang.
Os pesquisadores ampliaram os sinais e observaram um pico em uma massa específica, indicando a presença de partículas X (3872), cerca de 100 no total.
“É quase impensável que possamos extrair essas 100 partículas desse enorme conjunto de dados”, diz Lee, que junto com Wang fez várias verificações para verificar sua observação.
“Toda noite eu me perguntava, isso é realmente um sinal ou não?” lembra Wang. “E no final, os dados disseram que sim!”
No próximo ano ou dois, os pesquisadores planejam coletar muito mais dados, o que deve ajudar a elucidar a estrutura da partícula X. Se a partícula for um tetraquark fortemente ligado, ele deve decair mais lentamente do que se fosse uma molécula fracamente ligada. Agora que a equipe mostrou que partículas X podem ser detectadas no plasma quark-gluon, eles planejam investigar essa partícula com plasma quark-gluon com mais detalhes, para definir a estrutura da partícula X.
“Atualmente, nossos dados são consistentes com ambos porque ainda não temos estatísticas suficientes. Nos próximos anos, coletaremos muito mais dados para que possamos separar esses dois cenários”, diz Lee. “Isso ampliará nossa visão dos tipos de partículas que foram produzidas em abundância no início do universo”.
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