A sopa primordial estava cheia de sabores

8 de abril de 2025

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7 de abril de 2025&bala; Física 18, 75

Os principais quarks e antiquarros foram detectados em colisões de íons pesados no Massive Hadron Collider, mostrando que todos os seis sabores de quark estavam presentes nos primeiros momentos do universo.

Figura 1: Sabe-se que as colisões entre os núcleos de chumbo no Massive Hadron Collider são conhecidos por produzir pares de primeira qualidade, que foram medidos através do canal DilePton Decay. Através deste canal de decaimento, cada quark (Antiquark) decai rapidamente em um quark de fundo (antiquark) e um C⁺ (C^–) Boson. O C⁺ (C^–) Bóson decai posteriormente em um Lepton carregado positivamente (negativamente) e um neutrino correspondente.

Os quarks, os blocos fundamentais de construção da matéria, geralmente são confinados dentro de Hadrons, como prótons e nêutrons, pela força forte. Mas nos primeiros momentos após o huge bang, quarks e glúons se moveram livremente em um estado de matéria extremamente quente e denso chamado plasma de quark -gluon (QGP) (1). Esta “sopa primordial” foi a primeira forma de matéria do universo, existente por aproximadamente 10 microssegundos após o Huge Bang, até que o universo esfriou o suficiente para quarks e glúons combinarem (2). Os cientistas recriam e estudam essas condições do universo do início, esmagando os núcleos pesados ultrarrelativísticos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, o Massive Hadron Collider (LHC) no CERN, na Suíça, e instalações semelhantes. Tais experimentos confirmaram a presença dentro do QGPS de cinco sabores de quarks – Up, Down, Unusual, Appeal e Backside -, mas o sabor closing do quark, em cima, se mostrou ilusório. Agora, o experimento do Atlas do LHC observou a produção de pares de quarques superiores ( $t \bar{t}$ ) em colisões de chumbo (PB + PB), fornecendo evidências definitivas de que essas partículas podem ser produzidas dentro e interagir com um QGP (3). Ao revelar como esses quarks mais conhecidos se comportam nesse ambiente extremo, a observação desbloqueia novas idéias sobre as propriedades do QGP e as interações fundamentais de quarks e glúons sob condições que se assemelham muito às dos primeiros momentos do universo.

Os Quarks oferecem uma sonda útil de QGPs através de vários fenômenos-chave, incluindo Jet Temnching, perda de energia para quarque pesado e supressão de Quarkonia (4). A queima de jato e a perda de energia pesada se referem à maneira como os quarks perdem energia à medida que atravessam um QGP. Essa perda de energia pode ser estudada analisando a supressão de rendimentos de partículas em colisões de íons pesados em comparação com colisões de prótons e próton. A supressão da Quarkonia refere-se ao fenômeno em que a formação de QGP reduz significativamente a produção de estados ligados a quarques pesados (Quarkonia), como charmonium (charme-anticharm) e colisões de fundo (inferior-antibottom) em colisões de íons pesados em comparação com as colisões de proton-proton. Observar os principais quarks que participam dessas interações QGP constituiria uma adição poderosa a esse conjunto de ferramentas. Mas a massa do quark superior é de aproximadamente 173 Gev – aproximadamente 40 vezes mais pesada que o quark de fundo e mais de 70.000 vezes mais pesado que o quark da UP – e sua vida útil correspondentemente curta ( $\sim$ 10^–25 segundos) tornaram a partícula desafiadora para detectar dentro de um ambiente de alta energia.

No ano passado, a colaboração do Atlas relatou a observação da produção de pares de primeira linha em prótons-líderes (p + Pb) colisões (5). Esses resultados permitiram aos pesquisadores restringir as funções de distribuição nuclear de Parton (NPDFs), que descrevem a maneira como o momento de um núcleo é distribuído entre seus quarks e glúons constituintes (Partons) quando ligados em um núcleo atômico. Tais modificações nucleares dos PDFs – especialmente a distribuição de gluon – desempenham um papel essential na cromodinâmica quântica perturbadora em altas energias (6Assim, 7).

Em seu novo trabalho inovador, a colaboração do Atlas mediu $t \bar{t}$ Produção usando dados PB + PB-Collion coletados em 2015 e 2018. Ao contrário p + Colisões de PB, colisões de PB + PB criam um QGP de longa duração, no qual $t \bar{t}$ Os pares são difíceis de identificar. A análise da equipe, que alcançou o limiar de 5-sigma para uma descoberta oficial, confiou no chamado canal de decaimento de DilePton, no qual o par de antiquarros de primeira qualidade decai em um par de leptons (um elétron e um muon), os neutrinos correspondentes e um par de quarque de fundo (fig. 1) (3). A partir dessas novas observações, os pesquisadores fortaleceram suas restrições anteriores aos NPDFs, o que melhorará nossa compreensão da estrutura dos núcleos nas densidades extremas de energia. Até agora, o medido $t \bar{t}$ A seção transversal de produção em colisões PB + PB é consistente com as previsões teóricas existentes que incorporam NPDFs (8).

A observação histórica da colaboração do Atlas marca o início de uma nova period em física de íons pesados. Futuros experimentos com conjuntos de dados maiores refinarão o $t \bar{t}$ Medições de seção transversal de produção e restringem ainda mais os NPDFs. O aumento da luminosidade das colisões de Pb + Pb em futuras execuções de LHC possibilitará estudos mais precisos do comportamento de alto quark no QGP, enquanto estudos complementares no próximo colisor de íons eletrônicos do Laboratório Nacional de Brookhaven pode oferecer mais informações sobre a estrutura nuclear. Mas a detecção de quarks superiores no QGP gerado por PB + PB já tem implicações profundas. Ao confirmar que todos os seis sabores de quarks estavam presentes na sopa primordial, o resultado aprofunda nossa compreensão do QCD e informa modelos do universo inicial.

Referências

E. Shuryak, Plasma de quark-gluon, colisões de íons pesados e hadronsNotas da Palestra Científica Mundial em Physics vol. 85 (World Scientific, Cingapura, 2024) (Amazon) (Worldcat).
Okay. Yagi et al.Assim, Quark -Gluon Plasma: De Huge Bang ao Little BangMonografias de Cambridge sobre física de partículas, física nuclear e cosmologia (Cambridge College Press, Cambridge, 2005) (Amazon) (Worldcat).
G. Aad et al. (Colaboração do Atlas), “Observação de $t \bar{t}$ produção em colisões PB+PB em $\sqrt{s_{Nn}}$ = 5,02 Tev com o detector Atlas ”. Phys. Rev. Lett. 134142301 (2025).
B. Müller, “Os sabores do plasma de quark -gluon”. J. Phys. G: Nucl. Papel. Phys. 36064001 (2009).
G. Aad et al. (Colaboração do Atlas), “Observação de $t \bar{t}$ Produção nos canais Lepton+Jets e Dilepton p+Colisões de PB em $\sqrt{s_{Nn}}$ = 8,16 Tev com o detector Atlas ”. J. Excessive Energ. Phys. 2024101 (2024).
D. d et al.“Produção de topo em colisões de próton-nucleus e núcleo-nucleus nas energias LHC e além”. Phys. Lett. B 74664 (2015).
H. Paukkunen, “Standing dos PDFs nucleares após o primeiro LHC p–PB Run ” Nucl. Phys. UM 967241 (2017).
H. Khanpour e S. Atashbar Tehrani, “Análise world das funções de distribuição de Parton nuclear e suas incertezas na ordem do próximo ao lado para o líder”. Phys. Rev. d 93014026 (2016).

Sobre o autor

Niseem Magdy Abdelrahman é professor assistente de pesquisa no Departamento de Física da Texas Southern College. Ele obteve seu doutorado pela Stony Brook College, Nova York, onde conduziu pesquisas como parte do experimento Star no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Após seu doutorado, Abdelrahman ocupou cargos de pós -doutorado nos departamentos de física da Universidade de Illinois Chicago, Universidade Stony Brook e Universidade do Tennessee, Knoxville. Em 2024, ele recebeu o prêmio RHIC-AGS Customers Benefit por suas contribuições para o estudo de propriedades viscosas e quirais do assunto criado em colisões relativísticas de íons pesados em vários sistemas e energias de colisão. Além disso, Abdelrahman participa de comunidades de redação científica e serve como revisor de periódicos, incluindo Nature PhysicsAssim, Cartas de revisão físicaAssim, Revisão física cAssim, Revisão física dAssim, Cartas de física be Journal of Physics G.