Físicos reúnem habilidades para descrever melhor a partícula instável méson sigma

Embora os físicos nucleares saibam que a interação forte é o que mantém unidas as partículas no coração da matéria, ainda temos muito a aprender sobre essa força fundamental. Resultados publicados no início deste ano em Revisão Física D por três pesquisadores do Centro de Física Teórica e Computacional do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA nos aproximam da compreensão de uma peça importante do quebra-cabeça da interação forte.

Esta peça é conhecida como méson sigma. Assim como os prótons e nêutrons mais familiares, o sigma é feito de quarks. Ele é criado quando duas outras partículas baseadas em quarks, chamadas píons, colidem. Nessa colisão, os quarks dos píons podem se reconfigurar brevemente por meio da interação forte para formar o méson sigma.

A partícula é instável e é uma das de vida mais curta, decaindo de volta para um par de píons em uma fração insondável de um segundo. Isso torna difícil estudar o méson sigma usando os dados de experimentos de acelerador, embora se pense que ele desempenhe um papel significativo em muitos processos de física nuclear, incluindo as interações entre prótons e nêutrons.

“O sigma é um sujeito estranho de longa data”, disse o autor Jozef Dudek, um cientista nomeado em conjunto no Jefferson Lab e professor associado de física na William & Mary. “Não conseguimos determinar suas propriedades de forma confiável com métodos tradicionais simples.”

Com uma massa que é metade da do próton, o méson sigma é a partícula instável mais leve envolvida com a força forte. Estudar a interação forte nas escalas mais leves ajudará os físicos a descobrir como essa força nos forma e ao nosso mundo em escalas mais pesadas.

“Isso é importante para entender basicamente por que estamos aqui”, disse o autor Arkaitz Rodas Bilbao, um cientista nomeado em conjunto no Jefferson Lab e professor assistente de física na Old Dominion University. “Como as partículas das quais somos feitos se unem? Podemos saber tudo o que está acontecendo dentro de cada um de nós no nível mais básico?”

Supercomputação para sigma

Dudek, Rodas Bilbao e o cientista principal do Jefferson Lab, Robert Edwards, uniram forças para liderar o trabalho de aprendizado sobre o méson sigma. Eles sentiram que sua melhor chance de descrevê-lo melhor viria de uma ferramenta diferente: a supercomputação.

“A ideia é contar com supercomputadores para criar experimentos virtuais”, disse Rodas Bilbao.

Supercomputadores permitem que cientistas façam cálculos complexos mais rapidamente. Dividir etapas de cálculo entre os milhares de computadores que compõem um supercomputador significa que muitas etapas podem ser feitas de uma vez, economizando tempo. Um laptop levaria centenas a milhares de anos para fazer os cálculos para este projeto.

“Se eu quiser estar vivo quando o projeto terminar, é melhor usar um supercomputador”, disse Rodas Bilbao.

Usando supercomputadores no Jefferson Lab e no Oak Ridge National Laboratory do DOE, a equipe simulou as reações píon-píon necessárias para aprender sobre o méson sigma. Esses cálculos são baseados na cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que descreve a interação forte.

QCD não pode ser resolvido algebricamente, e ao usar supercomputadores para superar isso, alguns princípios básicos têm que ser sacrificados. Neste trabalho, pela primeira vez, os autores foram capazes de reintroduzir esses princípios na forma de restrições matemáticas chamadas “relações de dispersão”.

Cálculos colaborativos

Esse desafio técnico exigiu a expertise de Rodas Bilbao, que estudou relações de dispersão anteriormente e trabalhou no projeto como pesquisador de pós-doutorado na William & Mary.

O desafio também exigiu a experiência de Dudek e Edwards em cálculos numéricos de QCD.

Os três são membros da Hadron Spectrum Collaboration (HadSpec), um grupo pequeno, mas internacional, que se originou no Jefferson Lab, e da Exotic Hadron (ExoHad) Topical Collaboration, um grupo que estuda partículas exóticas. Este trabalho é um marco da colaboração ExoHad e exemplifica o tipo de relacionamento que o grupo quer formar.

“É essa ideia de que você combina conjuntos de habilidades e trabalha junto para resolver problemas que nenhum dos dois conseguiria resolver sozinho”, disse Dudek, que é co-investigador principal do ExoHad. “Nós também não poderíamos ter feito os cálculos sem o lado SciDAC das coisas.”

Edwards lidera o projeto de software patrocinado pelo DOE “Física Nuclear Fundamental na Exaescala e Além” no programa Descoberta Científica por meio da Computação Avançada (SciDAC).

“Esse esforço nos permite tentar desenvolver ferramentas que precisamos para computação científica avançada ou, neste caso, computação de alto desempenho. Essas ferramentas que desenvolvemos, software e infraestrutura algorítmica, estão agora, na verdade, no centro dos nossos programas em ciência”, disse Edwards. “É por meio desses tipos de recursos de computação que podemos realizar a ciência, então tem sido uma parte integral de todo o nosso processo.”

A combinação de técnicas usadas neste trabalho poderia ser estendida para estudar partículas misteriosas semelhantes a sigma, como o kappa. Se um píon interage com um kaon em vez de outro píon, ele pode formar uma partícula intermediária conhecida como kappa, cuja existência e propriedades são ainda mais obscuras do que as do sigma.

Este trabalho também revela um caminho a seguir para estudos posteriores do sigma, cuja estrutura interna ainda é misteriosa. Aprender sobre a compósito do sigma, no entanto, exigirá cálculos ainda mais complicados.

“Então, o primeiro passo, que é esse, tem que ser o mais sólido e preciso possível”, disse Rodas Bilbao.

Uma limitação desses cálculos é o fato de que eles dão aos quarks, e portanto aos píons, mais massa do que essas partículas têm na realidade. Isso tornou os cálculos mais práticos de serem realizados, mas em trabalhos futuros essas massas devem se aproximar mais de seus valores verdadeiros.

“Eventualmente você tem que colocar esses parâmetros no valor certo”, disse Dudek.

Isso é especialmente verdadeiro porque a pesquisa do Theory Center do Jefferson Lab informa os experimentalistas do laboratório, com quem os teóricos trabalham em estreita colaboração. Em qualquer experimento em que haja dois píons, o efeito do sigma será sentido.

“Tudo o que fazemos alimenta o programa experimental”, disse ele.

Mas esse “primeiro passo” é um bom começo.