Nos primeiros milionanãsimos de segundo após o Big Bang, o universo era um plasma turbulento de trilhaµes de graus de quarks e glaºons osparta­culas elementares que se aglomeravam brevemente em inaºmeras combinações antes de esfriar e se estabelecer em configurações mais esta¡veis ​​para formar os naªutrons e pra³tons. da matéria ordina¡ria.

No caos antes do resfriamento, uma fração desses quarks e glaºons colidiu aleatoriamente para formarpartículas "X" de vida curta, assim chamadas por suas estruturas misteriosas e desconhecidas. Hoje, aspartículas X são extremamente raras, embora os fa­sicos tenham teorizado que elas podem ser criadas em aceleradores departículas atravanãs da coalescaªncia de quarks, onde colisaµes de alta energia podem gerar flashes semelhantes de plasma quark-gluon .

Agora, fa­sicos do Laborata³rio de Ciência Nuclear do MIT e de outros lugares encontraram evidaªncias departículas X no plasma quark-glaºon produzido no Grande Colisor de Ha¡drons (LHC) no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, com sede perto de Genebra, na Sua­a§a.

A equipe usou técnicas de aprendizado de ma¡quina para filtrar mais de 13 bilhaµes de colisaµes de a­ons pesados, cada uma das quais produziu dezenas de milhares departículas carregadas. Em meio a essa sopa departículas ultradensa e de alta energia, os pesquisadores conseguiram extrair cerca de 100partículas X, de um tipo conhecido como X (3872), nomeado para a massa estimada da parta­cula.

Os resultados, publicados esta semana na Physical Review Letters , marcam a primeira vez que os pesquisadores detectarampartículas X no plasma quark-gluon osum ambiente que eles esperam que ilumine a estrutura ainda desconhecida das partículas

"Este éapenas o começo da história", diz o principal autor Yen-Jie Lee, professor associado de Fa­sica da Classe de Desenvolvimento de Carreira de 1958 no MIT. "Mostramos que podemos encontrar um sinal. Nos pra³ximos anos queremos usar o plasma quark-gluon para sondar a estrutura interna da parta­cula X, o que pode mudar nossa visão de que tipo de material o universo deve produzir."

Os coautores do estudo são membros da CMS Collaboration, uma equipe internacional de cientistas que opera e coleta dados do Compact Muon Solenoid, um dos detectores departículas do LHC.

“Durante anos pensamos que, por algum motivo, a natureza havia escolhido produzirpartículas feitas apenas de dois ou três quarks”, diz Lee.

Sa³ recentemente os fa­sicos começam a ver sinais de "tetraquarks" exa³ticos —partículas feitas de uma rara combinação de quatro quarks. Os cientistas suspeitam que X (3872) seja um tetraquark compacto ou um tipo inteiramente novo de molanãcula feita não de a¡tomos, mas de dois manãsons fracamente ligados osparta­culas subatômicas que são feitas de dois quarks.

X (3872) foi descoberto pela primeira vez em 2003 pelo experimento Belle, um colisor departículas no Japa£o que esmaga elanãtrons e pa³sitrons de alta energia. Dentro desse ambiente, no entanto, aspartículas raras decaa­ram muito rapidamente para que os cientistas examinassem sua estrutura em detalhes. Tem sido levantada a hipa³tese de que X (3872) e outraspartículas exa³ticas podem ser melhor iluminadas no plasma de quarks-glaºons.

"Teoricamente falando, hátantos quarks e glaºons no plasma que a produção departículas X deveria ser aumentada", diz Lee. “Mas as pessoas pensaram que seria muito difa­cil procura¡-los porque existem muitas outraspartículas produzidas nesta sopa de quarks”.

Em seu novo estudo, Lee e seus colegas procuraram sinais departículas X dentro do plasma quark-glaºon gerado por colisaµes de a­ons pesados ​​no Large Hadron Collider do CERN. Eles basearam sua análise no conjunto de dados de 2018 do LHC, que incluiu mais de 13 bilhaµes de colisaµes de a­ons de chumbo, cada uma das quais liberou quarks e glaºons que se espalharam e se fundiram para formar mais de um quatrilha£o departículas de vida curta antes de esfriar e decair.

“Depois que o plasma quark-gluon se forma e esfria, hátantaspartículas produzidas que o fundo éesmagador”, diz Lee. “Então tivemos que derrubar esse fundo para que pudanãssemos ver aspartículas X em nossos dados”.

Para fazer isso, a equipe usou um algoritmo de aprendizado de ma¡quina que eles treinaram para escolher padraµes de decaimento caractera­sticos departículas X. Imediatamente após aspartículas se formarem no plasma de quark-glaºons, elas rapidamente se decompõem empartículas "filhas" que se espalham. Parapartículas X, esse padrãode decaimento, ou distribuição angular, édistinto de todas as outras partículas

Os pesquisadores, liderados pelo pa³s-doutorando do MIT Jing Wang, identificaram varia¡veis-chave que descrevem a forma do padrãode decaimento da parta­cula X. Eles treinaram um algoritmo de aprendizado de ma¡quina para reconhecer essas varia¡veis ​​e, em seguida, alimentaram o algoritmo com dados reais dos experimentos de colisão do LHC. O algoritmo foi capaz de vasculhar o conjunto de dados extremamente denso e barulhento para escolher as principais varia¡veis ​​que provavelmente eram resultado departículas X em decomposição.

"Conseguimos diminuir o fundo em ordens de magnitude para ver o sinal", diz Wang.

Os pesquisadores ampliaram os sinais e observaram um pico em uma massa especa­fica, indicando a presença departículas X (3872), cerca de 100 no total.

"a‰ quase impensa¡vel que possamos extrair essas 100partículas desse enorme conjunto de dados", diz Lee, que junto com Wang fez várias verificações para verificar sua observação.

"Toda noite eu me perguntava, isso érealmente um sinal ou não?" lembra Wang. "E no final, os dados disseram que sim!"

No pra³ximo ano ou dois, os pesquisadores planejam coletar muito mais dados, o que deve ajudar a elucidar a estrutura da parta­cula X. Se a parta­cula for um tetraquark fortemente ligado, ele deve decair mais lentamente do que se fosse uma molanãcula fracamente ligada. Agora que a equipe mostrou quepartículas X podem ser detectadas no plasma quark-gluon, eles planejam investigar essa parta­cula com plasma quark-gluon com mais detalhes, para definir a estrutura da parta­cula X.

"Atualmente, nossos dados são consistentes com ambos porque ainda não temos estata­sticas suficientes. Nos pra³ximos anos, coletaremos muito mais dados para que possamos separar esses dois cenários", diz Lee. “Isso ampliara¡ nossa visão dos tipos departículas que foram produzidas em abunda¢ncia no ini­cio do universo”.