Físicos encontraram ordem oculta em violentas colisões de prótons

Quando dois prótons colidem com energias muito altas, uma enorme quantidade acontece em um 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 uma colisão, estes quarks e glúons, incluindo os virtuais que aparecem apenas brevemente, interagem de maneiras complicadas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons que se espalham e são detectados por experimentos. Com base neste quadro, parece razoável supor que a desordem do sistema, conhecida como entropia, deveria mudar entre a fase inicial do párton e a fase posterior do hádron. O estágio Parton parece especialmente caótico, com muitas partículas interagindo ao mesmo tempo.

Nova pesquisa sobre entropia em colisões de prótons

As últimas descobertas sobre esta questão foram publicadas na Physical Review D pelo Prof. Krzysztof Kutak e Dr. Sandor Lokos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Seu trabalho se concentra na comparação da entropia na 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 há algum tempo para descrever a evolução de sistemas densos de glúons. Esses modelos assumem que cada glúon pode ser representado por um par quark-antiquark que forma um dipolo de duas cores – aqui não estamos falando de cores comuns, mas da carga de cor que é uma propriedade quântica dos glúons. Modelos dipolo baseados no número médio de hádrons produzidos em uma colisão nos permitem estimar a entropia dos pártons, “explica o Prof. Kutak, que estuda a entropia dos sistemas quark e glúon há mais de dez anos.

Melhorando os modelos dipolo com novas ideias

Dois anos atrás, o Prof. Kutak e o Dr. Pawel Caputa da Universidade de Estocolmo introduziram uma versão atualizada do modelo dipolo. Eles começaram com um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de glúons evoluem e o trataram como a contribuição dominante. Eles então adicionaram efeitos adicionais que se tornaram importantes em energias de colisão mais baixas, onde menos hádrons são produzidos. Esse avanço foi possível porque os pesquisadores identificaram ligações entre as equações utilizadas nos modelos dipolo e as encontradas na teoria da complexidade.

Para testar este modelo dipolo generalizado, o Dr. Lokos sugeriu compará-lo com dados experimentais reais do LHC. Foram incluídas medições dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Juntos, estes dados abrangem uma ampla gama de energias de colisão, desde 0,2 teraelétron-volts até 13 TeV, que é a energia mais alta atualmente alcançável no LHC.

“Em nosso artigo, mostramos que o modelo dipolo generalizado descreve os dados existentes com mais precisão do que os modelos dipolo anteriores e, além disso, funciona bem em uma gama mais ampla de energias de colisão de prótons”, diz o Prof.

Entropia e uma regra básica da mecânica quântica

Isto levanta uma questão fundamental. A entropia durante a fase dominada por quarks e glúons de uma colisão de prótons difere da entropia dos hádrons que mais tarde escapam da zona de colisão? De acordo com a fórmula de entropia de Kharzeev-Levin, não deveria. A nova análise confirma esta previsão. Embora este resultado surpreenda alguns físicos, outros o vêem como um resultado natural de um dos princípios mais básicos da mecânica quântica conhecido como unitariedade.

A unitariedade pode parecer abstrata, mas a ideia em si é simples. As equações que descrevem como um sistema quântico evolui ao longo do tempo devem conservar a probabilidade total, que sempre soma um, e devem permitir a reversão dos processos. Simplificando, a unitariedade significa que a informação e a probabilidade não podem desaparecer ou surgir do nada.

“A unitariedade da mecânica quântica é algo que os estudantes de física aprendem. O formalismo da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve o mundo dos quarks e glúons, é baseado na unitariedade. No entanto, uma coisa é lidar com uma teoria que exibe uma certa característica no nível de quarks e glúons diariamente, e outra bem diferente é observá-la em dados reais sobre hádrons produzidos, “observa o Prof. Ele acrescenta que a unitariedade torna possível extrair informações sobre a entropia do parton através de uma ampla gama de energias de colisão.

O que vem a seguir para testar o modelo

Mais testes do modelo dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após a atualização planejada do LHC, o detector ALICE aprimorado será capaz de estudar regiões onde as interações de glúons são ainda mais densas do que as examinadas até agora. Informações adicionais também são esperadas do Colisor de Íons-Elétrons (EIC), agora em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA. No EIC, os elétrons colidirão com os prótons. Como os elétrons são partículas elementares, esses experimentos oferecerão uma maneira mais clara de sondar sistemas densos de glúons dentro de prótons individuais.