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Novas medições de como as partículas fluem de colisões de diferentes tipos de partículas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) forneceram novos insights sobre a origem da forma de manchas quentes de matéria gerada nessas colisões. Os resultados podem levar a uma compreensão mais profunda das propriedades e da dinâmica dessa forma de matéria, conhecida como plasma de quark-gluon (QGP).
QGP é uma sopa de quarks e glúons que compõem os prótons e nêutrons dos núcleos atômicos no coração de toda a matéria visível no universo. Os cientistas acham que todo o universo foi preenchido com QGP logo após o Big Bang, cerca de 14 bilhões de anos atrás, antes da formação de prótons e nêutrons. O RHIC, uma instalação do usuário do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA para pesquisa de física nuclear no Brookhaven National Laboratory, cria o QGP colidindo os núcleos dos átomos quase à velocidade da luz. As colisões derretem os limites dos prótons e nêutrons, liberando momentaneamente os quarks e glúons de seu confinamento dentro desses blocos de construção nucleares comuns (coletivamente chamados de núcleons).
A nova análise dos dados do detector STAR do RHIC sugere que a forma do QGP criado em colisões de núcleos pequenos com os grandes pode ser influenciada pela subestrutura do projétil menor – isto é, o arranjo interno de quarks e glúons dentro dos prótons e nêutrons do núcleo menor. Isso contrasta com as publicações sobre dados do detector PHENIX do RHIC, que relataram que a forma QGP foi determinada pela escala maior posições dos núcleons individuais e, portanto, as formas dos núcleos em colisão.
“A questão de saber se a forma do QGP é determinada pelas posições dos núcleons ou por sua estrutura interna tem sido uma investigação de longa data no campo. A recente medição conduzida pela colaboração STAR fornece pistas significativas para ajudar a resolver esta questão”, disse. disse Roy Lacey, professor da Stony Brook University e principal autor do artigo STAR.
Acontece que as diferenças nos resultados STAR e PHENIX podem ser devidas à maneira como os dois detectores fizeram suas respectivas medições, cada um observando as gotículas QGP de uma perspectiva diferente.
Rastrear correlações de duas partículas
Como relata a colaboração STAR em um artigo recém-publicado na Cartas de revisão física, suas medições vêm de uma análise de partículas que emergem principalmente no centro de seu detector, ao redor do tubo de luz. Ao observar os ângulos entre os pares de partículas nessa região de “meia rapidez”, os físicos podem detectar se há mais partículas fluindo em direções específicas.
“Você usa uma partícula para determinar a direção e outra para medir a densidade ao seu redor”, disse Jiangyong Jia, físico do Brookhaven Lab e da Stony Brook University. Quanto mais próximas as partículas estiverem em ângulos, maior será a densidade/mais partículas nessa direção.
Esses padrões de fluxo podem ser estabelecidos por gradientes de pressão associados ao formato do QGP. A equipe do STAR analisou os padrões de fluxo de três diferentes sistemas de colisão: prótons individuais colidindo com núcleos de ouro; deutérios de dois núcleos (um próton e um nêutron) colidindo com ouro; e núcleos de hélio-3 de três núcleos (dois prótons e um nêutron) colidindo com ouro. Os dados foram coletados em três execuções separadas em 2014 (hélio), 2015 (prótons) e 2016 (dêuterons).
Os resultados do fluxo do PHENIX foram baseados em correlações entre partículas em média velocidade com partículas emitidas na região frontal de seu detector. Essa análise descobriu que as manchas de QGP e os padrões de fluxo estabelecidos nesses três sistemas de colisão estavam associados à forma do projétil colidindo com o núcleo de ouro: prótons esféricos criaram gotas circulares de QGP com fluxo uniforme, deutérios alongados de duas partículas produziram gotas alongadas e padrões de fluxo elípticos e núcleos de hélio-3 de três partículas aproximadamente triangulares produziram bolhas triangulares de QGP com um fluxo triangular correspondentemente mais forte.
“Você pode ver uma impressão clara da forma do núcleo nas medições de fluxo elíptico e triangular do PHENIX”, disse James Dunlop, presidente associado de física nuclear no Departamento de Física do Brookhaven Lab.
Em contraste, de acordo com Shengli Huang, um cientista pesquisador da Stony Brook University que liderou a análise do STAR, “os padrões de fluxo triangular ‘v3’ do STAR eram todos iguais, independentemente do projétil que olhamos. a forma triangular do núcleo de hélio-3, produzindo padrões de fluxo v3 mais pronunciados do que os outros dois sistemas, está ausente. e suas posições”.
Takahito Todoroki, professor assistente da Universidade de Tsukuba, realizou uma verificação cruzada independente da análise STAR e encontrou o mesmo resultado.
Uma questão de perspectiva
“Ambos os conjuntos de medições do STAR e do PHENIX foram rigorosamente verificados por equipes independentes em ambas as colaborações e não há dúvidas sobre os resultados”, disse Dunlop.
Os teóricos propuseram algumas explicações.
“Embora os resultados STAR possam ser interpretados como flutuações de subnucleon desempenhando um papel importante na determinação da geometria QGP e espalhando a influência da forma triangular, e os resultados PHENIX indicam que a forma QGP é ditada pelas flutuações da posição do núcleon, os experimentos são não necessariamente inconsistente”, disse o teórico do Brookhaven Lab, Bjoern Schenke. “Levar em conta o fato de que a bolha de QGP muda ao longo da direção longitudinal pode explicar as diferenças.”
Como explicou Jiangyong Jia, “Quando uma colisão cria QGP, você não produz apenas uma fatia de QGP; você pode imaginá-lo como um cilindro ao longo da direção do feixe. Se você for para a extremidade dianteira do cilindro, a geometria pode não será o mesmo que se você olhar bem no meio deste cilindro. Pode haver muitas flutuações ao longo da direção do feixe.”
Considerando que STAR mede em média velocidade, a análise PHENIX de correlações entre partículas em média velocidade com partículas longitudinais distantes “para a frente” pode refletir essa evolução longitudinal do QGP. Essa diferença de perspectiva pode explicar os diferentes resultados.
Uma análise teórica recente liderada por Schenke encontrou evidências de tais flutuações longitudinais. Esse trabalho, que também inclui flutuações de subnucleon, sugere que a variação longitudinal no QGP poderia explicar pelo menos parte da diferença entre os resultados STAR e PHENIX v3.
“Esses resultados ressaltam a riqueza da física QGP e a importância de comparar os resultados de diferentes detectores”, disse Dunlop.
Análises futuras
Os físicos do STAR planejam explorar essas explicações analisando dados adicionais de colisões de deutério-ouro, coletados pelo STAR em 2021. Essas medições fizeram uso de componentes atualizados do STAR instalados na região frontal desse detector no tempo desde o deutério original – dados de ouro foram coletados.
“Ao analisar esses dados, devemos ser capazes de fazer as duas medições – observar as correlações de partículas intermediárias e intermediárias – no mesmo detector”, disse Huang.
Se os cientistas confirmarem os resultados publicados neste artigo e os resultados anteriores do PHENIX, seriam evidências claras das flutuações longitudinais no QGP.
Além disso, o RHIC também executou colisões entre dois feixes de núcleos de oxigênio durante parte da corrida em 2021. Analisar esses dados entre colisões de núcleos aproximadamente esféricos, cada um feito de 16 nucleons, pode ajudar a separar o impacto das flutuações de subnucleon da forma nuclear.
“Ao adicionar mais núcleons, diluímos a influência das flutuações dentro de cada núcleo”, disse Jia. “Já sabemos que nas colisões ouro-ouro, com 197 núcleons, as flutuações dos subnucleons não influenciam os padrões de fluxo, mas o que acontece se você pegar algo que não seja tão grande?”
“Como temos o mesmo sistema de colisão (deuteron-ouro), agora podemos repetir as medições anteriores de PHENIX e STAR no mesmo experimento com o mesmo sistema de colisão. Isso nos permitirá quantificar diretamente o quanto qualquer variação longitudinal observada está contribuindo para a diferença entre os resultados de STAR e PHENIX.”
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 Scientific Data and Computing Center no Brookhaven Lab, no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE e no consórcio Open Science Grid.
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