Os cientistas descobriram uma nova maneira de "ver" dentro dos núcleos ata´micos mais simples para entender melhor a "cola" que mantanãm os blocos de construção da matéria juntos. Os resultados, recanãm publicados na Physical Review Letters , vão de colisaµes de fa³tons (parta­culas de luz) com daªuterons, os núcleos ata´micos mais simples (feitos de apenas um pra³ton ligado a um naªutron).

As colisaµes ocorreram no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisa de física nuclear no Laborata³rio Nacional Brookhaven do DOE. Cientistas de todo o mundo analisam dados das colisaµes subatômicas do RHIC para obter informações sobre aspartículas e forças que constroem a matéria visível do nosso mundo.

Nessas colisaµes particulares, os fa³tons agiam como um feixe de raios X para fornecer o primeiro vislumbre de como aspartículas chamadas glaºons estãodispostas dentro do deutanãrio.

"O glaºon émuito misterioso", disse Zhoudunming Tu, fa­sico do Brookhaven Lab, que liderou este projeto para a STAR Collaboration do RHIC. Os glaºons, como "portadores" da força forte*, são a cola que une os quarks, os blocos de construção internos dos pra³tons e naªutrons. Eles também mantem pra³tons e naªutrons juntos para formar núcleos ata´micos. "Queremos estudar a distribuição de glaºons porque éuma das chaves que une os quarks. Essa medição da distribuição de glaºons em um deutanãrio nunca foi feita antes."

Além disso, como as colisaµes fa³ton-deuteron a s vezes separam os daªuterons, as colisaµes podem ajudar os cientistas a entender esse processo.

"Medir a separação do deutanãrio nos diz muito sobre os mecanismos ba¡sicos que mantem essaspartículas unidas nos núcleos em geral", disse Tu.

Compreender os glaºons e seu papel na matéria nuclear seráum foco central de pesquisa no Electron-Ion Collider (EIC), uma futura instalação de pesquisa em física nuclear em fase de planejamento no Brookhaven Lab. No EIC, os fa­sicos usara£o fa³tons gerados por elanãtrons para sondar as distribuições de glaºons dentro de pra³tons e núcleos, bem como a força que mantanãm os núcleos juntos. Mas Tu, que vem desenvolvendo planos de pesquisa no EIC, percebeu que poderia obter algumas pistas analisando os dados existentes dos experimentos de 2016 do RHIC com daªuterons.

"A motivação para estudar o deutanãrio éporque ele ésimples, mas ainda tem tudo o que um núcleo complexo tem", explicou Tu. "Queremos estudar o caso mais simples de um núcleo para entender essas dina¢micas - incluindo como elas mudam a  medida que vocêpassa de um pra³ton simples para os núcleos mais complexos que estudaremos no EIC".

Então, ele começou a filtrar os dados coletados pela STAR de centenas de milhões de colisaµes em 2016.

"Os dados estavam la¡. Ninguanãm havia investigado a distribuição de glaºons do deutanãrio atéeu comea§ar quando era um Goldhaber Fellow em 2018. Eu tinha acabado de ingressar no Brookhaven e encontrei essa conexão com o EIC."

O RHIC pode acelerar uma ampla gama de a­ons osnúcleos ata´micos despojados de seus elanãtrons. Ele pode atéenviar feixes de dois tipos diferentes departículas acelerando em direções opostas atravanãs dos ananãis gaªmeos de sua pista circular de 2,4 milhas quase a  velocidade da luz. Mas não pode acelerar fa³tons diretamente.

Mas graças a  física, recentemente abordada aqui,partículas em movimento rápido com muita carga positiva emitem sua própria luz. Então, em 2016, quando o RHIC estava colidindo deutanãrios com a­ons de ouro altamente carregados, esses a­ons de ouro em alta velocidade foram cercados por nuvens de fa³tons. Ao identificar "colisaµes ultraperifanãricas" - onde o daªuteron apenas olha pela nuvem de fa³tons de um a­on de ouro - Tu percebeu que poderia estudar fa³tons interagindo com daªuterons para ter um vislumbre de dentro.

O sinal revelador dessas interações éa produção de uma parta­cula chamada J/psi, desencadeada pelo fa³ton interagindo com glaºons dentro do deutanãrio.

"Encontrei 350 J/psi. Existem apenas 350 eventos das centenas de milhões de colisaµes registradas pelo experimento STAR. Na verdade, éum evento muito raro", disse Tu.

Embora o J/psi decaia rapidamente, o detector STAR pode rastrear os produtos de decaimento para medir quanto momento foi transferido da interação. Medir a distribuição da transferaªncia de momento em todas as colisaµes permite aos cientistas inferir a distribuição do glaºon.

"Existe uma conexão de um para um entre a transferaªncia de momento (o 'chute' dado ao J/psi) e onde o glaºon estãolocalizado no deutanãrio", explicou Tu. "Em média, os glaºons dentro do pra³prio núcleo do deutanãrio da£o um impulso de impulso muito grande. Os glaºons na periferia da£o um impulso menor. Portanto, observar a distribuição geral do impulso pode ser usado para mapear a distribuição de glaºons no daªuteron."

"As descobertas de nosso estudo preencheram uma lacuna em nossa compreensão da dina¢mica dos glaºons entre um pra³ton livre e um núcleo pesado", disse Shuai Yang, colaborador da STAR da South China Normal University. Yang tem sido um fa­sico lider no uso da luz emitida por a­ons em movimento rápido para estudar as propriedades da matéria nuclear em colisaµes núcleo-núcleo ultraperifanãricas no RHIC e no Grande Colisor de Ha¡drons da Europa (LHC). "Este trabalho constra³i uma ponte que conecta a física departículas e a física nuclear ", disse ele.

Outro importante colaborador, William Schmidke, do Brookhaven Lab, disse: "Na verdade, estudamos esse processo hámuitos anos. Mas este éo primeiro resultado que nos diz a dina¢mica dos glaºons para ambos os núcleos individuais (o termo coletivo para pra³tons e naªutrons) e o núcleo no mesmo sistema."

Além de gerar uma parta­cula J/psi, cada interação fa³ton-glaºon também da¡ um impulso de impulso que desvia o deutanãrio osou quebra esse núcleo simples em um pra³ton e um naªutron. Estudar o processo de separação fornece informações sobre a força gerada pelo glaºon que mantanãm os núcleos juntos.

No caso de um rompimento, o pra³ton carregado positivamente se curva no campo magnético do acelerador RHIC. Mas o naªutron neutro continua se movendo para a frente. Para capturar esses "naªutrons espectadores", o STAR tem um detector posicionado a 18 metros de distância de seu centro ao longo da linha de luz em uma extremidade.

"Este processo émuito simples", observou Tu. "Apenas um J/psi éproduzido no centro de STAR. As únicas outraspartículas que podem ser criadas são a partir desta separação de deutanãrios. pode medir inequivocamente este processo em alta energia."

Medir como o processo de separação estãoassociado a uma parta­cula J/psi produzida por meio da interação de glaºons pode ajudar os cientistas a entender o papel dos glaºons na interação entre pra³tons e naªutrons. Esse conhecimento pode ser diferente do que os cientistas entendem sobre essas interações em baixa energia.

"Em alta energia, o fa³ton 'vaª' quase nada além de glaºons dentro do deutanãrio", disse Tu. "Depois que os glaºons 'chutam' a parta­cula J/psi, como esse 'chute' leva a uma ruptura estãomuito provavelmente relacionado a  dina¢mica do glaºon entre o pra³ton e o naªutron. A vantagem dessa medida éque podemos identificar experimentalmente o glaºon- canal dominado e a ruptura nuclear ao mesmo tempo."

Além disso, Tu observa que a medição de naªutrons produzidos por meio de ruptura nuclear - geralmente conhecida como "marcação de espectadores" - éuma técnica ampla e útil e definitivamente seráusada no futuro EIC.

Mas no EIC, “a instrumentação serámuito melhor e tera¡ mais cobertura”, explicou. "Poderemos melhorar ainda mais a precisão das medições de distribuição espacial de glaºons de núcleos leves a núcleos pesados. E os sistemas detectores EIC capturara£o quase tudo sobre a separação do núcleo, para que possamos estudar ainda mais detalhadamente como os núcleons interagem uns com os outros. ."

Os principais colaboradores adicionais que colaboraram para realizar as complicadas análises de dados para este estudo incluem os fa­sicos do Brookhaven Lab Jaroslav Adam, Zilong Chang e Thomas Ullrich.

* A força forte éa mais forte das quatro forças fundamentais da natureza (força forte, fraca, eletromagnanãtica e gravitacional). E, ao contra¡rio de qualquer outra força, a força de interação torna-se maior com o aumento da distância. A força de ligação entre dois quarks a uma distância superior a 10-15 metros (mais de um milionanãsimo de bilionanãsimo de metro) ésuperior a 10 toneladas.