Nos primeiros milionésimos de segundo após o Big Bang, o universo era um plasma borbulhante de temperatura de um trilhão de graus composto de quarks e glúons – partículas elementares que se fundem brevemente em inúmeras combinações antes de esfriar e assumir configurações mais estáveis para produzir nêutrons. e prótons da matéria comum.
No caos do pré-resfriamento, alguns desses quarks e glúons colidiram aleatoriamente para formar partículas "X" de vida curta, assim chamadas por causa de sua estrutura misteriosa e desconhecida. As partículas X devem ser extremamente raras, embora os físicos especulem que elas poderiam ser criadas em aceleradores de partículas a partir de fusões de quarks, onde colisões de alta energia podem gerar rajadas semelhantes de plasma quark-glúon.
Agora, os físicos encontraram evidências da presença de partículas X no plasma quark-gluon produzido no Large Hadron Collider (LHC) no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, localizada perto de Genebra, na Suíça.
A equipe de cientistas usou técnicas de aprendizado de máquina para testar mais de 13 bilhões de colisões de íons pesados, cada uma produzindo dezenas de milhares de partículas carregadas. Entre essa sopa superdensa de partículas de alta energia, os pesquisadores conseguiram isolar cerca de 100 partículas do tipo X, conhecidas como X (3872), em homenagem à suposta massa da partícula.
Os resultados, publicados na Physical Review Letters, observam que os pesquisadores detectaram partículas X pela primeira vez em plasmas de quark-glúon, um meio que eles esperam que esclareça a estrutura ainda desconhecida da partícula.
“Este é apenas o começo da história”, diz o principal autor Yen-Jie Lee, professor de física do MIT. “Mostramos que podemos encontrar o sinal. Nos próximos anos, queremos usar plasma quark-gluon para estudar a estrutura interna da partícula X, o que pode mudar nossa compreensão de que tipo de material o universo deveria ter produzido.”
Os coautores do estudo são membros da CMS Collaboration, uma equipe internacional de cientistas que opera e coleta dados do Compact Muon Solenoid, um dos detectores de partículas do LHC.
Os blocos básicos de construção da matéria são o nêutron e o próton, cada um composto de três quarks intimamente relacionados.
“Durante anos, pensamos que, por algum motivo, a natureza decidiu produzir partículas que eram apenas dois ou três quarks”, diz Yen-Jee Lee.
Só recentemente os físicos começaram a notar sinais de "tetraquarks" exóticos - partículas compostas por uma rara combinação de quatro quarks. Os cientistas suspeitam que X (3872) seja um tetraquark compacto ou um tipo inteiramente novo de molécula feita não de átomos, mas de dois mésons fracamente ligados – partículas subatômicas que são feitas de dois quarks.
X (3872) foi descoberto pela primeira vez em 2003 como parte do experimento Belle, um colisor no Japão que colide elétrons e pósitrons de alta energia. No entanto, nesse ambiente, partículas raras decaíram muito rapidamente para que os cientistas estudassem sua estrutura em detalhes.
Foi sugerido que X(3872) e outras partículas exóticas podem ser melhor iluminadas em um plasma de quark-glúon.
Em seu novo estudo, os físicos têm procurado sinais de partículas X no plasma de quarks-glúons gerados por colisões de íons pesados no Grande Colisor de Hádrons. Eles basearam sua análise em um conjunto de dados do LHC de 2018 que incluiu mais de 13 bilhões de colisões de íons de chumbo, cada uma das quais liberou quarks e glúons que se espalharam e se fundiram para formar mais de um quatrilhão de partículas de vida curta antes de esfriar e decair.
“Depois que o plasma de quark-glúon se formou e esfriou, tantas partículas se formaram que o fundo se tornou esmagador”, dizem os cientistas. "Então, tivemos que reduzir esse pano de fundo para que pudéssemos ver as partículas X em nossos dados."
Para fazer isso, a equipe de pesquisadores usou um algoritmo de aprendizado de máquina, que eles ensinaram para destacar os padrões de decaimento característicos das partículas X. Imediatamente após a formação de partículas no plasma quark-gluon, eles rapidamente se decompõem em partículas "filhas", que se separam. Para as partículas X, este padrão de decaimento ou distribuição angular é diferente de todas as outras partículas.
Os pesquisadores identificaram variáveis-chave que descrevem a forma do padrão de decaimento das partículas X. Eles treinaram um algoritmo de aprendizado de máquina para reconhecer essas variáveis e, em seguida, alimentaram o algoritmo com dados reais de experimentos de colisão no LHC. O algoritmo foi capaz de filtrar um conjunto de dados extremamente denso e ruidoso para selecionar variáveis-chave que provavelmente eram o resultado do decaimento das partículas X.
Como resultado, os físicos conseguiram reduzir o fundo em várias ordens de magnitude para ver um sinal indicando a presença de partículas X (3872) - havia apenas cerca de 100 delas.
“É quase impensável que possamos isolar essas 100 partículas de um conjunto de dados tão grande”, dizem os pesquisadores.
No próximo ano ou dois, os cientistas planejam coletar muito mais dados que devem ajudar a descobrir a estrutura da partícula X. Se a partícula for um tetraquark fortemente ligado, ele deve decair mais lentamente do que se fosse uma molécula fracamente ligada.
Agora que a equipe de físicos mostrou que as partículas X podem ser detectadas em um plasma de quark-glúon, eles planejam estudar essa partícula com mais detalhes usando um plasma de quark-glúon para determinar a estrutura da partícula X.
“Atualmente, nossos dados são consistentes com os dois cenários porque ainda não temos estatísticas suficientes. Nos próximos anos, coletaremos muito mais dados para que possamos separar esses dois cenários”, diz Yen-Jee Lee. “Isso expandirá nossa compreensão dos tipos de partículas que foram produzidas em abundância no início do universo”.
O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.
2022-02-06 19:02:35
Autor: Vitalii Babkin