Nenhum sinal de assimetria na força forte

A força forte liga os constituintes dos núcleos em conjunto. Diferenças entre as interações fundamentais das forças e suas imagens espelhadas foram pensadas para serem observadas em colisões de íons pesados, mas novos dados desafiam essa imagem.

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Xiaolin Zeng for Quanta Magazine

Por Alexandru Florin Dobrin
Publicado na Nature

Nossa compreensão de mundo está nos resumido num padrão modelo de física de partículas. Este modelo descreve os blocos da construção da matéria em três interações fundamentais: eletromagnética, fraco e a forte. As interações eletromagnéticas conservam a paridade – eles procedem da mesma forma quando todas as coordenadas espaciais são invertidas – enquanto as interações fracas não as fazem. Embora a violação da conservação da paridade é permitido pela teoria subjacente de fortes interações, foi difícil observar experimentalmente.

Na última década, houve sugestões de violação de paridade nas fortes interações associado a colisões de íons pesados ​​(aqueles mais maciço do que o hélio). Se confirmado, esses sinais poderiam revelar informações valiosas sobre as propriedades do universo primordial. Mas, como foi escrito em Physical Review Letters, o CMS Collaboration, foi relatado uma semelhança impressionante entre as colisões de chumbo contra chumbo, e prótons contra chumbo, o que sugere que a violação da paridade ainda não foi detectado.

Colisões de núcleos que viajam perto da velocidade da luz, proporciona uma oportunidade para investigar a transição de fase forte — o processo em que partículas fundamentais chamadas quarks e glúons se ligam em prótons e nêutrons. A temperatura alcançada em tais colisões são cerca de 2 × 10¹²° C (100.000 vezes mais quente que o núcleo do Sol) . A essa temperatura de um sistema desvinculado de quarks e glúons, é esperado que um plasma de quark-glúon seja produzido na região sobreposta entre os dois núcleos colidindo. Tal plasma começaria, em seguida, a se expandir e esfriar, fazendo com que as partículas tornarem-se vinculadas. O próprio Universo sofreu uma transição de fase semelhante a um milissegundo depois do Big Bang.

Em colisões de íons pesados, a violação de paridade pode ocorrer se os glúons formarem configurações que possuem uma carga topológica diferente de zero (uma propriedade semelhante a uma carga elétrica que caracteriza topologia de um sistema). Interações entre essas configurações de glúons e quarks do plasma, o então quark-glúon, viola a paridade criando um desequilíbrio entre os números de esquerda e direita de um quarks — uma partícula é destruída se a direção do momento angular intrínseco (spin) é o mesmo que a direção do movimento, diferentemente se estas direções forem opostas. Por exemplo, em uma região que tem uma carga negativa topológica, quarks de mão esquerda tornar-se destro, enquanto que os quark destro permaneceriam inalterados.

Um campo magnético extremamente forte (10^19 vezes mais forte do que o campo magnético da superfície da Terra) também é produzido em íons pesados colidindo. Este campo alinha as rotações positivamente dos quarks carregados na direção paralela para a orientação do campo, e as rotações de forma negativa dos quarks são carregados na direção oposta. A combinação deste alinhamento de rotação e um desequilíbrio nos números de esquerda e direita de quarks, resultaria em um quark atual, em que quarks do oposto elétrico mova a carga em direções opostas. Consequentemente, haveria uma separação de carga na direção do campo magnético, perpendicular ao plano da colisão (Fig. 1).

Figura 1 | The chiral magnetic effect. Os núcleos atômicos contêm partículas elementares chamadas quarks e glúons que são mantidos unidos por uma força fundamental conhecida como a força forte. Em uma colisão de íons pesados, envolvendo núcleos que se sobrepõem parcialmente, as regiões que não se sobrepõem continuam inalteradas no plano da colisão (setas azuis), e um campo magnético extremamente forte, B, é produzido perpendicular ao plano. Se as interações da força forte violarem a paridade (simetria do espelho), a combinação do campo magnético e as configurações particulares de glúons dentro dos núcleos (não mostrados) fariam com que a região sobreposta desenvolvessem duas seções de carga oposta (denotadas por + e -). Partículas carregadas positivamente (preto) e partículas carregadas negativamente (vermelho) seriam emitidas a partir de seções opostas da região sobreposta – um fenômeno chamado de efeito magnético quiral. A colaboração de CMS9 relata resultados de colisão entre chumbo-chumbo e de prótons e chumbo, nas quais não encontram evidências desse efeito e, portanto, nenhum sinal de violação de paridade, quando aproximadamente, são produzidos os mesmos números de partículas em cada tipo de colisão.

Esse fenômeno é chamado de chiral magnetic effect (CME) – Efeito Magnético Quiral. Detectar esse efeito seria revelar detalhes sobre as propriedades dos campos magnéticos primordiais no universo inicial e os processos que levaram o universo a ter um excesso de matéria em relação à antimatéria.

O CME pode ser observado em colisões de íons pesados, detectando correlações dependentes da carga entre as partículas produzidas nas colisões. Tais correlações foram medidas por pesquisadores da Relativistic Heavy Ion Collider perto de Nova Iorque e o Large Hider Collider perto de Genebra, Suíça, e estão em acordo qualitativo com as expectativas teóricas para o CME. Contudo, correlações dependentes da carga de outras fontes (backgrounds) podem explicar todas ou parte dessas observações. A colaboração do CMS desembaraçou efeitos de violação de paridade de contribuições de fundo medindo dependente de carga correlações em colisões entre chumbo-chumbo e proton-chumbo no Large Hadron Collider. O sinal CME deverá ser muito menor em colisões de prótons e chumbo do que em chumbo-chumbo, porque a direção do campo magnético é orientado aleatoriamente com respeito ao plano de colisão. No entanto, os autores descobriram que a magnitude das correlações é surpreendentemente similar nesses dois tipos de colisões quando aproximadamente os mesmos números de partículas são produzidas – os autores consideraram multiplicidades de até 300 partículas. Suas descobertas implicam que a contribuição do CME e as correlações dependentes de carga são insignificante para tais multiplicidades.

Os resultados relatados pela CMS Collaboration, desafiam a ideia de que a violação da paridade já foi detectado em colisões de íons pesados. No entanto, para confirmar esta conclusão, uma estimativa da contribuição do CME serão necessárias correlações dependentes de carga de todo o alcance da multiplicidade (até alguns milhares partículas), porque a dinâmica da colisão varia dependendo da multiplicidade. Várias abordagens são usadas atualmente ou foram propostas para determinar com precisão para saber em que medida a paridade é violada em colisões de íons pesados. Uma sugestão é usar colisões de núcleos isobáricos – núcleos de diferentes substâncias químicas que têm a mesma massa atômica – para distinguir mais facilmente o sinal CME nas contribuições de fundo. Outra possibilidade seria variar as contribuições de fundo selecionando diferentes formas para a inicial geometria das colisões. A Colaboração de ALICE, também no Grande Colisor de Hádrons, no início deste ano, relatou medições de correlações dependentes da carga para diferentes geometrias de colisão. Combinando estas medições com números e simulações do campo magnético, eles estabelecem fortes restrições à contribuição do CME para essas correlações.

A busca por violação de paridade em fortes interações, portanto, continua, e novos conhecimentos em física fundamental podem estar por aí à espera.

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