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A primeira evidência da produção de quark top em colisões núcleo-núcleo
Em um artigo publicado na Physical Review Letters , foi baseado em dados de colisão de chumbo-chumbo coletados pelo detector de partículas CMS, no Large Hadron Collider (LHC) do CERN.
Por Ingrid Fadelli - 07/01/2021


Os quarks top quase sempre decaem em quark ab e bóson W; o último decai em léptons ou quarks que podem ser detectados e formar o chamado “estado final”. O esboço ilustra o processo de decaimento do quark top para outras partículas, e os tempos médios de decaimento de cada partícula são indicados no eixo x. A evolução da densidade do plasma quark-gluon (eixo y) é ilustrada como uma função do tempo. Crédito: Colaboração CMS.

A Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration, um grande grupo de pesquisadores de diferentes institutos em todo o mundo, reuniu recentemente as primeiras evidências da produção de quark top em colisões núcleo-núcleo. Seu trabalho, descrito em um artigo publicado na Physical Review Letters , foi baseado em dados de colisão de chumbo-chumbo coletados pelo detector de partículas CMS, no Large Hadron Collider (LHC) do CERN.

Até alguns anos atrás, quando o LHC do CERN tinha acabado de começar a operar, a maioria dos físicos estudando íons pesados (ou seja, núcleos de alta massa que foram totalmente despojados de elétrons para fins de aceleração) eram céticos sobre a possibilidade de quarks top , as partículas elementares mais pesadas conhecido até agora, pode ser estudado em colisões de íons pesados . Na verdade, na época, ainda não estava claro se o LHC era capaz de sustentar colisões entre íons pesados ​​a uma taxa de colisão suficientemente alta , também conhecida como luminosidade. Recentemente, no entanto, os especialistas em aceleradores do LHC conseguiram atingir essa taxa e superar as metas de luminosidade iniciais para colisões de íons pesados.

Outra razão pela qual estudar quarks top em colisões de íons pesados ​​parecia menos viável do que em colisões próton-próton (pp) é que quando o LHC colide íons pesados, a energia cinética máxima de nucleons individuais é consideravelmente menor do que a energia correspondente em colisões pp. Como a taxa de produção de quark top depende em grande parte da energia de colisão (ou seja, quanto maior a energia, mais fácil é produzir quarks), a produção dessas partículas em colisões de íons pesados ​​baseados em LHC parecia um desafio.

O LHC também foi configurado para dedicar menos tempo às colisões de íons pesados ​​e mais às colisões pp, refletindo as prioridades da comunidade de física de partículas. Por exemplo, em um ano, geralmente passa um mês produzindo pesadas colisões de íons e de seis a sete meses em colisões pp.

Por fim, as colisões de íons pesados ​​produzem muito mais partículas do que as de pp mais comuns, o que pode tornar a detecção de partículas e a análise de dados relacionados a íons pesados ​​coletados pelo LHC muito desafiadores. Coletivamente, esses fatores dificultavam e retardavam o estudo de quarks top em colisões de íons pesados, mesmo que fossem frequentemente identificados em colisões pp.

Cinco anos atrás, pesquisadores do CERN, da Universidade de Jyväskylä e do Instituto de Física de Helsinque publicaram as primeiras previsões da taxa de produção de quarks top em colisões de íons pesados . Apesar da taxa relativamente baixa de produção do LHC, eles argumentaram que os quarks top poderiam ajudar a sondar o chamado plasma de quark-gluon (QGP). QGP é um estado da matéria que se acredita ter existido durante o primeiro microssegundo de vida do universo, que também poderia residir no núcleo denso das estrelas de nêutrons no universo atual. Este estado da matéria pode ser recriado em ambientes de laboratório colidindo íons pesados, como o chumbo (Pb).
 
Os quarks top podem ser úteis tanto para investigar QGP quanto para estudar a distribuição de glúons dentro dos núcleos. Esses dois usos, entretanto, requerem diferentes tipos de colisões, as primeiras simétricas (por exemplo, chumbo em chumbo ou Pb-Pb) e as últimas simétricas e assimétricas (por exemplo, prótons em chumbo ou p-Pb). O LHC colide feixes simétricos e assimétricos, mas antes que pudesse ser aplicado a QGP e estudos relacionados ao gluon, os pesquisadores tiveram que provar com um alto grau de confiança que os quarks top podem realmente ser detectados em colisões núcleo-núcleo.

"Em dezembro de 2015, o LHC entregou colisões Pb-Pb com uma energia cinética de 2,51 TeV por nucleon, o que significa para a colisão nucleon-nucleon, um total geral (energia do centro de massa por nucleon) de 5,02 TeV", membros do CMS A colaboração disse ao Phys.org por e-mail. "Este foi um grande passo em relação à execução 1, mas a luminosidade ainda era muito limitada para fins de estudo de quark top e, como mencionado antes, o tempo de execução de íons pesados ​​foi de apenas um mês. Resumindo, esse conjunto de dados era muito pequeno para reivindicar evidências da produção de quark de ponta. "

Após o lançamento do conjunto de dados coletado em 2015, os pesquisadores realizaram uma série de estudos com o objetivo de reunir evidências da produção de quark top em colisões de íons pesados. Primeiro, eles mediram a produção de quark superior em uma pequena amostra de pp de referência tomada em 2015 na mesma energia do centro de massa de 5,02 TeV, depois a mediram em colisões de p-Pb registradas em 2016 . Por fim, eles realizaram suas análises em colisões de Pb-Pb.

"Esses novos dados de Pb-Pb foram acumulados no final da Execução 2, em 2018, graças à engenhosidade de nossos colegas aceleradores, que introduziram melhorias na cadeia desde a fonte de íons Pb até o LHC e a capacidade do CMS experimente gravar em fita a quantidade total de dados de íons pesados ​​fornecidos pelo LHC ", explicaram os membros da Colaboração CMS. "No geral, isso resultou em uma luminosidade total acumulada aproximadamente quatro vezes maior do que em 2015. O conjunto de dados maior eventualmente ajudou, mas por si só não teria sido suficiente caso nenhuma melhoria na reconstrução do quark top fosse introduzida."

Em seu estudo recente, a colaboração CMS combinou duas abordagens experimentais: uma que é afetada pela presença de QGP e outra que é agnóstica a ele. O primeiro desses métodos explora a presença de quarks bottom (ou seja, as versões mais leves dos quarks top). Os quarks bottom podem fornecer dicas da produção de quark top, já que o último quase sempre decai no primeiro. A segunda abordagem, por outro lado, focou exclusivamente no estudo de elétrons e múons (ou seja, parentes mais pesados ​​dos elétrons).

"Este segundo método foi menos sensível, mas evitou uma crítica potencial: Temos um conhecimento relativamente impreciso, até agora, de como o QGP afeta o comportamento dos quarks bottom e, portanto, em princípio, o primeiro método pode ser enviesado por efeitos ainda desconhecidos , "Andrea Giammanco, ex-coordenador do grupo Top Quark da colaboração CMS, disse Phys.org. "Como resultado da pequenez do sinal do quark top, o grande fundo (por exemplo, combinações aleatórias de partículas não relacionadas ou processos induzidos por detector que imitam o sinal) e a complexidade da reconstrução do quark top, a análise foi projetada com alguns recursos exclusivos. "

Inicialmente, a colaboração do CMS focou na reotimização de algoritmos de identificação para obter desempenhos comparáveis ​​aos obtidos em colisões pp, apesar dos desafios associados ao ambiente criado por colisões Pb-Pb. Posteriormente, eles utilizaram algoritmos avançados de aprendizado de máquina, que são ferramentas promissoras para a análise de dados coletados pelo LHC.

Notavelmente, a colaboração CMS foi a primeira a reunir medições que extraem sinais de quark top com base apenas nas informações de leptões. Além disso, eles usaram uma nova técnica de análise que é totalmente orientada por dados para estimar cuidadosamente as informações básicas.

"Para evitar qualquer tendência humana, nosso estudo foi desenhado seguindo um procedimento de análise chamado 'cego', em que os critérios de seleção foram otimizados e fixados primeiro usando apenas uma pequena parte inicial dos dados, antes de serem aplicados ao conjunto de dados completo, "Disse Giammanco. “No final, a concordância dos resultados das duas abordagens entre elas, com a taxa extrapolada das colisões pp, e com a expectativa teórica, nos deu confiança nas primeiras evidências concretas de produção de quarks top em colisões núcleo-núcleo . Crucial para este resultado de sucesso também foi a estimativa precisa da luminosidade real, uma tarefa que nossa equipe, com a ajuda do grupo de luminosidade CMS, também executou com alta prioridade. "

Um evento de colisão chumbo-chumbo interpretado como testemunhas de assinaturas
de quarks top, ou seja, elétron, múons e quarks b. Crédito: Colaboração CMS.

Antes deste estudo recente, o LHC havia permitido medições de várias partículas elementares com grandes massas em colisões de íons pesados, como portadores massivos da força eletrofraca (ou seja, bósons W e Z). No entanto, havia uma falta de evidência para a produção de quark top em colisões de íons pesados, mesmo que as previsões teóricas sugerissem que eles foram produzidos em uma taxa suficientemente alta. Além de reunir as primeiras evidências da produção de quark top em colisões núcleo-núcleo, o estudo recente da colaboração CMS mediu uma taxa de colisão que está alinhada com as previsões teóricas.

"Na verdade, nossa comunidade nunca teve a chance antes de sondar tal regime de energia (ou 'escala de energia') perto da massa do quark superior, colocando a teoria que une núcleos em núcleos, chamada de 'força forte", sob estrito testes ", disse Georgios K. Krintiras, co-coordenador do Grupo de Luminosidade da colaboração CMS, ao Phys.org." Além disso, os processos físicos usados ​​até agora, por exemplo, a produção dos bósons W e Z e partículas de luz, os fótons, só são sensíveis às propriedades do QGP integrado durante sua vida extremamente curta (apenas uma pequena fração de segundo, em termos técnicos, cerca de segundos). Nosso artigo, seguindo as considerações teóricas recentes para desvendar a estrutura de yoctossegundos de QGP , é apenas o primeiro passo no uso do quark top para fornecer novos insights importantes sobre a estrutura de tempo do meio criado em colisões de íons pesados. "

As análises realizadas pela colaboração CMS neste estudo recente desviam-se de abordagens de pesquisa bem estabelecidas e podem, assim, abrir novas possibilidades para investigar a dimensão do tempo do QGP. Isso poderia provar sua existência ao montar o filme mais curto do mundo de seu desenvolvimento.

"A massa excepcionalmente alta dos quarks top que identificamos define uma nova escala para sondar a estrutura interna dos núcleos também, codificada nas chamadas funções de distribuição de partões nucleares (nPDFs)", disse Krintiras. "Nosso conhecimento atual de como os núcleons se comportam dentro de um núcleo é limitado, principalmente por causa da falta de dados nessa escala."

Os núcleos são compostos de três partículas fundamentais conhecidas como quarks. As interações entre esses quarks, que são mediadas por uma classe diferente de partículas conhecidas como glúons, são tão intensas que, teoricamente, nenhuma força externa deveria ser capaz de afetar seu comportamento, nem mesmo as forças fortes entre as diferentes partículas dentro de um núcleo.

Pesquisas realizadas no CERN nos anos 80 revelaram que os núcleos ligados aos núcleos tendem a se comportar de maneira diferente daqueles que são livres, uma descoberta que foi confirmada por vários estudos subsequentes. Nesta pesquisa anterior, a European Muon Collaboration (EMC) investigou a proporção de dados coletados em múon por nucléon espalhando ferro e comparou-a com aqueles relacionados ao núcleo muito menor de deutério, alcançando resultados surpreendentes que não correspondiam às suas previsões . Da mesma forma, pesquisadores do LHC estão investigando a relação entre as medidas realizadas durante as colisões de Pb-Pb, comparando-as com as coletadas durante as colisões de pp.

"Nesse contexto, o quark top constitui uma sonda teoricamente precisa dos nPDFs do glúon em uma escala pouco explorada", explicou Krintiras. "O conhecimento preciso de nPDFs também é um pré-requisito fundamental para extrair informações detalhadas sobre as propriedades QGP dos dados experimentais."

O trabalho recente da colaboração CMS também pode ter implicações importantes para a compreensão e busca por novas físicas. Embora as comunidades de pesquisa que investigam as interações de íons pesados ​​e a nova física não estejam relacionadas, essa primeira evidência da produção de quarks top nas interações de íons pesados ​​abriu o caminho para uma colaboração entre essas duas comunidades de física.

"Esta pesquisa me inspirou a unir forças com colegas especializados em nova física, para propor uma pesquisa que aproveitasse as características únicas das colisões de íons pesados ​​e que pudesse se tornar possível com execuções de íons pesados ​​especiais no futuro", Giammanco disse. "Dois anos atrás, organizamos um workshop dedicado, chamado" Íons Pesados ​​e Setores Ocultos ", para o qual convidamos a maioria das pessoas ativas no nicho minúsculo de novas pesquisas de física em íons pesados, mas também especialistas em íons pesados ​​que nunca trabalharam em nova física, novos especialistas em física que nunca trabalharam com íons pesados ​​e especialistas em aceleradores do LHC para que pudessem nos orientar sobre o que poderia ser possível em termos de desempenho de feixe de íons pesados ​​em execuções futuras do LHC. "

Alguns dos algoritmos sofisticados que a colaboração do CMS desenvolveu para conduzir essa pesquisa estão agora sendo usados ​​como um argumento dentro da comunidade de pesquisa que está em busca de novas físicas. Mais especificamente, está sendo usado atualmente para demonstrar que algumas das limitações ou desafios fundamentais associados às pesquisas por uma nova física podem ser superados.

Em seu trabalho futuro, a colaboração do CMS planeja desenvolver suas descobertas recentes para conduzir pesquisas adicionais para os quarks principais em colisões de íons pesados. Além disso, a equipe gostaria de melhorar ainda mais a eficácia de seus métodos e algoritmos experimentais.

"Em nosso artigo, a chamada 'significância estatística observada' do sinal chega a 4,0 unidades de 'desvios padrão' (σ), para ambos os métodos", disse Krintiras. "Em outras palavras, se nenhum quarks top fosse produzido, ainda haveria uma probabilidade de 0,003% (esse é o nível 4σ) de que o sinal surgisse de uma flutuação de fundo. Gostaríamos de diminuir ainda mais essa probabilidade, atingindo o nível mais alto limite de 5σ que é considerado o padrão para declarar observação em nossa comunidade. "

Para melhorar a significância estatística observada do sinal que detectaram e aumentar a confiabilidade de suas descobertas, os pesquisadores precisarão primeiro aumentar a luminosidade em sua pesquisa. Na verdade, mesmo que estejam alinhados com as previsões teóricas, os valores da taxa de colisão extraídos em seu artigo recente são ligeiramente inferiores aos valores esperados. Aumentar a significância estatística pode ajudar a determinar se essa taxa mais baixa é resultado de flutuações aleatórias ou indica uma tendência sistemática subjacente.

"Apesar do crescente interesse em análises em torno de nPDFs, ainda estamos longe de alcançar uma compreensão detalhada das modificações da estrutura interna em núcleos ligados", disse Krintiras. "Os dados nucleares do LHC são anunciados como uma virada de jogo, uma vez que fornecem a oportunidade para um formalismo preciso de nPDFs para o núcleo principal, incluindo avanços em nosso conhecimento sobre glúons ligados a partir de medições de quark top. Podemos até prever execuções adicionais no LHC com maior luminosidade utilizável oferecendo ainda mais a chance de colisão de um ou mais núcleos mais leves do que o chumbo, portanto, preenchendo a lacuna atualmente grande. "

Há também uma complementaridade entre os programas de física no LHC e o planejado Colisor Eletron -Íon (EIC) no laboratório de Brookhaven , respondendo à questão crucial de se os nPDFs são funções com aplicabilidade universal. Juntos, esses esforços devem revelar com precisão qual é o arranjo dos quarks e glúons que constituem os prótons e nêutrons dos núcleos.

"Com a maior parte da luminosidade total do programa LHC Pb-Pb ainda a ser registrada na próxima década e as projeções de desempenho promissoras para a atualização de alta luminosidade futura do LHC , ou mesmo futuros, colisões mais potentes, também recomendados pelo atualização recente da Estratégia Europeia de Física de Partículas , os quarks observáveis superiores serão medidos com uma precisão cada vez maior e até mesmo se tornarão uma sonda precisa do QGP ", acrescentou Krintiras. "Isso poderia provar sua existência e tornar possível a montagem do menor filme do mundo, e ainda mais, com uma resolução extremamente alta."

 

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