A Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration, um grande grupo de pesquisadores de diferentes institutos em todo o mundo, reuniu recentemente as primeiras evidaªncias da produção de quark top em colisaµes 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 departículas CMS, no Large Hadron Collider (LHC) do CERN.

Atéalguns anos atrás, quando o LHC do CERN tinha acabado de comea§ar a operar, a maioria dos fa­sicos estudando a­ons pesados (ou seja, núcleos de alta massa que foram totalmente despojados de elanãtrons para fins de aceleração) eram canãticos sobre a possibilidade de quarks top , aspartículas elementares mais pesadas conhecido atéagora, pode ser estudado em colisaµes de a­ons pesados . Na verdade, na anãpoca, ainda não estava claro se o LHC era capaz de sustentar colisaµes entre a­ons 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 colisaµes de a­ons pesados.

Outra razãopela qual estudar quarks top em colisaµes de a­ons pesados ​​parecia menos via¡vel do que em colisaµes pra³ton-pra³ton (pp) éque quando o LHC colide a­ons pesados, a energia cinanãtica máxima de nucleons individuais éconsideravelmente menor do que a energia correspondente em colisaµes pp. Como a taxa de produção de quark top depende em grande parte da energia de colisão (ou seja, quanto maior a energia, mais fa¡cil éproduzir quarks), a produção dessaspartículas em colisaµes de a­ons pesados ​​baseados em LHC parecia um desafio.

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

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

Cinco anos atrás, pesquisadores do CERN, da Universidade de Jyva¤skyla¤ e do Instituto de Fa­sica de Helsinque publicaram as primeiras previsaµes da taxa de produção de quarks top em colisaµes de a­ons 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 éum 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 naªutrons no universo atual. Este estado da matéria pode ser recriado em ambientes de laboratório colidindo a­ons pesados, como o chumbo (Pb).

 

Os quarks top podem ser aºteis tanto para investigar QGP quanto para estudar a distribuição de glaºons dentro dos núcleos. Esses dois usos, entretanto, requerem diferentes tipos de colisaµes, as primeiras simanãtricas (por exemplo, chumbo em chumbo ou Pb-Pb) e as últimas simanãtricas e assimanãtricas (por exemplo, pra³tons em chumbo ou p-Pb). O LHC colide feixes simanãtricos e assimanãtricos, mas antes que pudesse ser aplicado a QGP e estudos relacionados ao gluon, os pesquisadores tiveram que provar com um alto grau de confianção que os quarks top podem realmente ser detectados em colisaµes núcleo-núcleo.

"Em dezembro de 2015, o LHC entregou colisaµes Pb-Pb com uma energia cinanãtica 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 a  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 a­ons pesados ​​foi de apenas um maªs. Resumindo, esse conjunto de dados era muito pequeno para reivindicar evidaªncias da produção de quark de ponta. "

Apa³s o lana§amento do conjunto de dados coletado em 2015, os pesquisadores realizaram uma sanãrie de estudos com o objetivo de reunir evidaªncias da produção de quark top em colisaµes de a­ons pesados. Primeiro, eles mediram a produção de quark superior em uma pequena amostra de pp de referaªncia tomada em 2015 na mesma energia do centro de massa de 5,02 TeV, depois a mediram em colisaµes de p-Pb registradas em 2016 . Por fim, eles realizaram suas análises em colisaµes de Pb-Pb.

"Esses novos dados de Pb-Pb foram acumulados no final da Execução 2, em 2018, graças a  engenhosidade de nossos colegas aceleradores, que introduziram melhorias na cadeia desde a fonte de a­ons Pb atéo LHC e a capacidade do CMS experimente gravar em fita a quantidade total de dados de a­ons 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 são 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 éafetada pela presença de QGP e outra que éagnóstica a ele. O primeiro desses manãtodos explora a presença de quarks bottom (ou seja, as versaµes 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 elanãtrons e maºons (ou seja, parentes mais pesados ​​dos elanãtrons).

"Este segundo manãtodo foi menos sensa­vel, mas evitou uma cra­tica potencial: Temos um conhecimento relativamente impreciso, atéagora, de como o QGP afeta o comportamento dos quarks bottom e, portanto, em princa­pio, o primeiro manãtodo 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 aleata³rias departículas 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 compara¡veis ​​aos obtidos em colisaµes pp, apesar dos desafios associados ao ambiente criado por colisaµes Pb-Pb. Posteriormente, eles utilizaram algoritmos avana§ados de aprendizado de ma¡quina, 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 leptaµes. Além disso, eles usaram uma nova técnica de análise que étotalmente orientada por dados para estimar cuidadosamente as informações ba¡sicas.

"Para evitar qualquer tendaªncia humana, nosso estudo foi desenhado seguindo um procedimento de análise chamado 'cego', em que os critanãrios 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 concorda¢ncia dos resultados das duas abordagens entre elas, com a taxa extrapolada das colisaµes pp, e com a expectativa tea³rica, nos deu confianção nas primeiras evidaªncias concretas de produção de quarks top em colisaµes 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. "

Antes deste estudo recente, o LHC havia permitido medições de váriaspartículas elementares com grandes massas em colisaµes de a­ons pesados, como portadores massivos da força eletrofraca (ou seja, ba³sons W e Z). No entanto, havia uma falta de evidência para a produção de quark top em colisaµes de a­ons pesados, mesmo que as previsaµes tea³ricas sugerissem que eles foram produzidos em uma taxa suficientemente alta. Além de reunir as primeiras evidaªncias da produção de quark top em colisaµes núcleo-núcleo, o estudo recente da colaboração CMS mediu uma taxa de colisão que estãoalinhada com as previsaµes tea³ricas.

"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 fa­sicos usados ​​atéagora, por exemplo, a produção dos ba³sons W e Z epartículas de luz, os fa³tons, são são sensa­veis a s 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 tea³ricas recentes para desvendar a estrutura de yoctossegundos de QGP , éapenas o primeiro passo no uso do quark top para fornecer novos insights importantes sobre a estrutura de tempo do meio criado em colisaµes de a­ons 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 existaªncia 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 partaµes nucleares (nPDFs)", disse Krintiras. "Nosso conhecimento atual de como os núcleons se comportam dentro de um núcleo élimitado, principalmente por causa da falta de dados nessa escala."

Os núcleos são compostos de trêspartículas fundamentais conhecidas como quarks. As interações entre esses quarks, que são mediadas por uma classe diferente departículas conhecidas como glaºons, são tão intensas que, teoricamente, nenhuma força externa deveria ser capaz de afetar seu comportamento, nem mesmo as forças fortes entre as diferentespartículas 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 maºon por nuclanãon espalhando ferro e comparou-a com aqueles relacionados ao núcleo muito menor de deutanãrio, alcana§ando resultados surpreendentes que não correspondiam a s suas previsaµes . Da mesma forma, pesquisadores do LHC estãoinvestigando a relação entre as medidas realizadas durante as colisaµes de Pb-Pb, comparando-as com as coletadas durante as colisaµes de pp.

"Nesse contexto, o quark top constitui uma sonda teoricamente precisa dos nPDFs do glaºon em uma escala pouco explorada", explicou Krintiras. "O conhecimento preciso de nPDFs também éum 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 a­ons pesados ​​e a nova física não estejam relacionadas, essa primeira evidência da produção de quarks top nas interações de a­ons 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 caracteri­sticas únicas das colisaµes de a­ons pesados ​​e que pudesse se tornar possí­vel com execuções de a­ons pesados ​​especiais no futuro", Giammanco disse. "Dois anos atrás, organizamos um workshop dedicado, chamado" aons Pesados ​​e Setores Ocultos ", para o qual convidamos a maioria das pessoas ativas no nicho minaºsculo de novas pesquisas de física em a­ons pesados, mas também especialistas em a­ons pesados ​​que nunca trabalharam em nova física, novos especialistas em física que nunca trabalharam com a­ons 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 a­ons pesados ​​em execuções futuras do LHC. "

Alguns dos algoritmos sofisticados que a colaboração do CMS desenvolveu para conduzir essa pesquisa estãoagora sendo usados ​​como um argumento dentro da comunidade de pesquisa que estãoem busca de novas físicas. Mais especificamente, estãosendo usado atualmente para demonstrar que algumas das limitações ou desafios fundamentais associados a s 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 colisaµes de a­ons pesados. Além disso, a equipe gostaria de melhorar ainda mais a eficácia de seus manãtodos e algoritmos experimentais.

"Em nosso artigo, a chamada 'significa¢ncia estata­stica observada' do sinal chega a 4,0 unidades de 'desvios padra£o' (σ), para ambos os manãtodos", disse Krintiras. "Em outras palavras, se nenhum quarks top fosse produzido, ainda haveria uma probabilidade de 0,003% (esse éonível4σ) de que o sinal surgisse de uma flutuação de fundo. Gostara­amos de diminuir ainda mais essa probabilidade, atingindo onívelmais alto limite de 5σ que éconsiderado o padrãopara declarar observação em nossa comunidade. "

Para melhorar a significa¢ncia estata­stica observada do sinal que detectaram e aumentar a confiabilidade de suas descobertas, os pesquisadores precisara£o primeiro aumentar a luminosidade em sua pesquisa. Na verdade, mesmo que estejam alinhados com as previsaµes tea³ricas, os valores da taxa de colisão extraa­dos em seu artigo recente são ligeiramente inferiores aos valores esperados. Aumentar a significa¢ncia estata­stica pode ajudar a determinar se essa taxa mais baixa éresultado de flutuações aleata³rias ou indica uma tendaªncia sistema¡tica subjacente.

"Apesar do crescente interesse em análises em torno de nPDFs, ainda estamos longe de alcana§ar 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 glaºons ligados a partir de medições de quark top. Podemos atéprever execuções adicionais no LHC com maior luminosidade utiliza¡vel oferecendo ainda mais a chance de colisão de um ou mais núcleos mais leves do que o chumbo, portanto, preenchendo a lacuna atualmente grande. "

Ha¡ também uma complementaridade entre os programas de física no LHC e o planejado Colisor Eletron -aon (EIC) no laboratório de Brookhaven , respondendo a  questãocrucial de se os nPDFs são funções com aplicabilidade universal. Juntos, esses esforços devem revelar com precisão qual éo arranjo dos quarks e glaºons que constituem os pra³tons e naªutrons 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, colisaµes mais potentes, também recomendados pelo atualização recente da Estratanãgia Europeia de Fa­sica de Partí­culas , os quarks observa¡veis superiores sera£o medidos com uma precisão cada vez maior e atémesmo se tornara£o uma sonda precisa do QGP ", acrescentou Krintiras. "Isso poderia provar sua existaªncia e tornar possí­vel a montagem do menor filme do mundo, e ainda mais, com uma resolução extremamente alta."