Os aceleradores de partículas revelam a essência da matéria nuclear ao colidirem átomos a velocidades próximas à da luz. As colisões de alta energia produzem uma chuva de fragmentos subatômicos que os cientistas podem então estudar para reconstruir os blocos fundamentais da matéria.

Uma equipe liderada pelo MIT utilizou o acelerador de partículas mais poderoso do mundo para descobrir novas propriedades da matéria, através de "quase colisões" de partículas. Essa abordagem transformou o acelerador de partículas em um novo tipo de microscópio — e levou à descoberta de novos comportamentos nas forças que mantêm a matéria unida.

Em um estudo publicado esta semana no periódico Physical Review Letters , a equipe relata resultados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) — um enorme acelerador subterrâneo em formato de anel em Genebra, na Suíça. Em vez de se concentrar nas colisões de partículas no acelerador, a equipe do MIT buscou instâncias em que as partículas mal se cruzavam.

Quando as partículas viajam a velocidades próximas à da luz, elas são envolvidas por um halo eletromagnético que se achata quando as partículas passam perto, mas não colidem. Os campos de energia achatados produzem fótons de energia extremamente alta. Ocasionalmente, um fóton de uma partícula pode ricochetear em outra, como um intenso ponto de luz do tamanho de uma gota d'água.

A equipe do MIT conseguiu identificar essas colisões quase fatais, ou o que os cientistas chamam de "interações fotonucleares", a partir dos dados de colisão de partículas do LHC. Eles descobriram que, quando alguns fótons colidiam com uma partícula, liberavam um tipo de partícula subatômica, conhecida como méson D0 ,  que os cientistas puderam medir pela primeira vez.

Os mésons D0 são partículas subatômicas que contêm um quark charm, um tipo raro de quark normalmente não encontrado na matéria nuclear comum. Os quarks são os blocos de  construção fundamentais de toda a matéria e são unidos por glúons, partículas sem massa que funcionam como a cola invisível, ou "força forte", que mantém a matéria coesa. Os raros quarks charm só podem ser criados em interações de alta energia. Dessa forma, eles fornecem uma sonda especialmente precisa e inequívoca para a análise de quarks e glúons dentro de um núcleo atômico.

Por meio de suas medições de mésons D 0 , os pesquisadores puderam estimar o quão compactados os glúons estão e, essencialmente, quão forte é a força forte dentro do núcleo de uma partícula.

“ Nosso resultado indica que, quando a matéria nuclear é comprimida, os glúons começam a se comportar de maneira peculiar”, afirma o autor principal, Gian Michele Innocenti, professor assistente de física no MIT. “Precisamos saber como esses glúons se comportam nessas condições extremas, pois são eles que mantêm o universo coeso. E, neste momento, as interações fotonucleares são a melhor maneira que temos para estudar o comportamento dos glúons.”

Entre os coautores do estudo estão membros da Colaboração CMS — um consórcio global de físicos que opera e mantém o experimento Compact Muon Solenoid (CMS), um dos maiores detectores do LHC, utilizado para coletar os dados do estudo.

A cada ciclo de operação, o Grande Colisor de Hádrons dispara feixes de partículas extremamente finos em direções opostas ao redor de um anel subterrâneo de 27 quilômetros de comprimento. Quando os feixes se cruzam, as partículas podem colidir. Se as colisões ocorrerem em uma região do anel onde o detector CMS está instalado, o detector pode registrá-las, e os cientistas podem então analisar as consequências para reconstruir os fragmentos que compõem as partículas originais.

Desde que o LHC iniciou suas operações em 2008, o foco tem sido predominantemente na detecção e análise de colisões frontais. Os físicos sabiam que, ao acelerar feixes de partículas, também produziriam interações fotonucleares — eventos de quase colisão em que uma partícula poderia colidir não com outra partícula, mas com sua nuvem de fótons. Mas acreditava-se que essas interações luz-núcleo fossem simplesmente ruído.

Quando um fóton colide com uma partícula, a abundância, a direção e a energia do méson D0 produzido estão diretamente relacionadas à energia e à densidade dos glúons no núcleo. Se os cientistas conseguirem detectar e medir essa interação do fóton, será como usar uma lanterna extremamente pequena e potente para iluminar as estruturas nucleares. Mas até agora, presumia-se que as interações fotonucleares seriam impossíveis de detectar em meio aos diversos processos físicos que podem ocorrer em tais colisões.

“As pessoas não achavam possível eliminar a enorme confusão de todas essas outras colisões, para focar em fótons individuais atingindo núcleos individuais e produzindo um méson D 0 ”, diz Innocenti. “Tivemos que desenvolver um sistema para reconhecer essas interações fotonucleares muito raras enquanto os dados das colisões de partículas eram coletados.”

Para o novo estudo, Innocenti e seus colegas simularam inicialmente como seria uma interação fotonuclear em meio a uma chuva de colisões de outras partículas. Em particular, simularam um cenário no qual um fóton colide com um núcleo e produz um méson D0 . Embora esses eventos sejam raros, os mésons D0 estão entre as partículas mais abundantes que contêm um quark charm. A equipe raciocinou que, se conseguissem detectar sinais de um quark charm em mésons D0 produzidos  em uma interação fotonuclear, isso poderia fornecer informações valiosas sobre os glúons que mantêm o núcleo coeso.

Com base nessas simulações, os pesquisadores desenvolveram um algoritmo para detectar interações fotonucleares. Eles implementaram o algoritmo no detector CMS para buscar sinais em tempo real durante as colisões de partículas realizadas pelo LHC.

“Tivemos que coletar dezenas de bilhões de colisões para extrair algumas centenas desses raros casos em que um fóton atinge um núcleo e produz uma dessas partículas exóticas de méson D 0 ”, explica Innocenti.

A partir desse enorme conjunto de dados, a equipe identificou uma amostra precisa desses eventos raros, explorando os recursos avançados de detecção do CMS para selecionar eventos de quase colisão e reconstruir as propriedades dos mésons D 0 .

Por meio desse processo, a equipe detectou instâncias de produção do méson D 0 e, em seguida, trabalhou retroativamente para calcular as propriedades dos quarks charm das partículas e dos glúons que as teriam mantido unidas no núcleo original. 

“Estamos restringindo o que acontece com os glúons quando eles são comprimidos em íons muito grandes que viajam muito rápido”, diz Innocenti. “Até agora, nossos dados confirmam o que se espera em termos de matéria nuclear de alta densidade. Na verdade, esta é a primeira vez que mostramos que esse tipo de medição é viável.”

A equipe está trabalhando para aprimorar a precisão da medição, a fim de fornecer uma imagem mais clara de como os quarks e os glúons estão organizados dentro de um núcleo.

“Os glúons são uma força muito poderosa que mantém o universo unido”, diz Innocenti. “A descrição da força forte está na base de tudo o que vemos na natureza. Agora temos uma maneira de confirmar totalmente essa descrição ou mostrar desvios dela.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, incluindo apoio de uma bolsa do Programa de Pesquisa para Início de Carreira do DOE, e se baseia nas contribuições de uma grande equipe do MIT composta por estudantes de pós-graduação, pesquisadores de graduação, cientistas e pós-doutorandos.