As colisões de prótons de alta energia podem ser retratadas como oceanos turbulentos de quarks e glúons, incluindo partículas virtuais de vida curta. À primeira vista, este ambiente extremo parece ser muito mais complicado do que no período posterior, quando cada vez mais partículas voam para fora do ponto de colisão e se tornam cada vez mais estáveis. Poderíamos esperar que as partículas se comportassem de maneira muito diferente nesta fase inicial. Mas os dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) mostram que esta intuição é enganosa. Os resultados podem ser melhor explicados por um modelo preciso que captura como as colisões de prótons realmente se desenrolam.
Quando dois prótons colidem com energias muito altas, grandes mudanças ocorrem num instante. Os prótons são hádrons, o que significa que são feitos de pártons, que incluem os quarks e os glúons que os mantêm unidos. Durante a colisão, estes quarks e glúons, incluindo quarks e glúons virtuais que aparecem apenas brevemente, interagem de maneiras complexas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons, que se espalham e são detectados experimentalmente. Com base neste quadro, parece razoável supor que a desordem do sistema (chamada entropia) deveria mudar entre a fase inicial do párton e a fase posterior do hádron. A fase Patton parece particularmente caótica, com muitas partículas interagindo simultaneamente.
Novo estudo de entropia de colisão de prótons
Os últimos resultados da pesquisa sobre esta questão foram publicados na “Physical Review D” pelo Professor Krzysztof Kutak e Dr. Sandor Lokos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Seu trabalho se concentrou em comparar a entropia da fase inicial do quark-glúon com a entropia das partículas eventualmente produzidas e medidas.
“Na física de altas energias, os chamados modelos dipolo têm sido usados para descrever a evolução de sistemas densos de glúons há algum tempo. Esses modelos assumem que cada glúon pode ser representado por um par quark-antiquark, formando um dipolo de duas cores – aqui não estamos falando de cores comuns, mas de cargas coloridas como propriedades quânticas dos glúons. Modelos dipolo baseados no número médio de hádrons produzidos em colisões nos permitem estimar a entropia dos pártons”, explica o professor. Kutak estuda a entropia de sistemas quark-glúon há mais de uma década.
Melhorando modelos dipolo com novas ideias
Há dois anos, o professor Kutak e o Dr. Pavel Kaputa, da Universidade de Estocolmo, apresentaram uma versão atualizada do modelo dipolo. Eles começaram com um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de glúons evoluem e consideram esta sua principal contribuição. Eles então adicionaram efeitos adicionais que se tornam importantes em energias de colisão mais baixas (onde são produzidos menos hádrons). Esse avanço foi possível porque os pesquisadores identificaram uma conexão entre as equações usadas nos modelos dipolo e as equações encontradas na teoria da complexidade.
Para testar este modelo dipolo generalizado, o Dr. Lokos sugeriu compará-lo com dados experimentais reais do Grande Colisor de Hádrons. Inclui medições de experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Os dados cobrem uma ampla gama de energias de colisão, de 0,2 teraelétron-volts a 13 TeV, a energia mais alta atualmente alcançável no LHC.
“Em nosso artigo, mostramos que o modelo dipolo generalizado descreve os dados disponíveis com mais precisão do que os modelos dipolo anteriores e tem um bom desempenho em uma faixa mais ampla de energias de colisão de prótons”, disse o professor Kutak.
Entropia e as regras básicas da mecânica quântica
Isto levanta uma questão fundamental. A entropia da fase dominada por quarks e glúons de uma colisão de prótons é diferente da entropia dos hádrons que mais tarde escapam da zona de colisão? De acordo com a fórmula de entropia de Harzef-Levin, não deveria. Uma nova análise confirma esta previsão. Embora o resultado tenha surpreendido alguns físicos, outros acreditaram que era uma consequência natural de um dos princípios mais fundamentais da mecânica quântica, conhecido como positividade.
A unidade pode parecer abstrata, mas a ideia em si é simples. As equações que descrevem como os sistemas quânticos evoluem ao longo do tempo devem conservar as probabilidades totais, que sempre somam um, e devem permitir reversões de processos. Simplificando, singularidade significa que informações e probabilidades não desaparecem ou aparecem do nada.
“A unidade da mecânica quântica é o que os estudantes de física estudam. O formalismo da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve o mundo dos quarks e glúons, é baseado na unidade. No entanto, uma coisa é lidar com uma teoria que exibe certas características no nível de quarks e glúons todos os dias, e outra coisa é observá-la em dados reais de hádrons produzidos”, aponta o professor Kutak. A positividade permite extrair informações sobre a entropia do párton em uma ampla faixa de energias de colisão, acrescentou.
Quais são os próximos passos para testar o modelo?
Mais testes do modelo dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após as atualizações planejadas para o Grande Colisor de Hádrons, o detector ALICE aprimorado será capaz de estudar regiões onde as interações de glúons são mais densas do que as estudadas até agora. O Electron Ion Collider (EIC), atualmente em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos, também deverá fornecer informações adicionais. No EIC, os elétrons colidirão com os prótons. Como os elétrons são partículas elementares, esses experimentos fornecerão uma maneira mais clara de sondar sistemas densos de glúons dentro de prótons individuais.
