As colisões de prótons de alta energia podem ser vistas como um mar agitado de quarks e glúons, incluindo partículas virtuais de vida curta. À primeira vista, este ambiente extremo parece ser muito mais complexo do que a fase posterior, quando menos partículas e mais estáveis voam para fora do ponto de colisão. Pode-se esperar que as partículas nesta fase inicial se comportem de maneira bastante diferente. Mas os dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) mostram que esta intuição é enganosa. Os resultados são melhor explicados por um modelo aprimorado que reflete como as colisões de prótons realmente ocorrem.
Quando dois prótons colidem com energias muito altas, uma grande quantidade acontece em um instante. Os prótons são hádrons, o que significa que são compostos de pártons que incluem quarks e glúons que os mantêm unidos. Durante a colisão, esses quarks e glúons, inclusive os virtuais que aparecem apenas por um curto período de tempo, interagem de maneiras complexas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons que são espalhados e detectados experimentalmente. Com base neste quadro, parece razoável supor que a desordem do sistema, conhecida como entropia, deva variar entre a fase inicial do párton e a fase hadrônica posterior. O estágio Parton parece particularmente caótico quando muitas partículas interagem simultaneamente.
Novos estudos de entropia em colisões de prótons
As últimas descobertas sobre o assunto foram publicadas na Physical Review D pelo Prof. Krzysztof Kutak e Dr. Sandar Lokas 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 resultantes que são 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. Os modelos dipolo são baseados no número médio de hádrons formados como resultado de colisões nos permitem estimar a entropia dos pártons, ” explica o professor Kutak, que estuda a entropia dos sistemas quark glúon há mais de dez anos.
Melhorando modelos dipolo com novas ideias
Há dois anos, o professor Kutak e o Dr. Pavel Kaputa, da Universidade de Estocolmo, apresentaram uma versão atualizada do modelo dipolo. Eles começaram com um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de glúons evoluem e trataram isso 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 progresso foi possível porque os pesquisadores descobriram conexões entre as equações usadas nos modelos dipolo e aquelas encontradas na teoria da complexidade.
Para testar este modelo dipolo generalizado, o Dr. Locas propôs compará-lo com dados experimentais reais do LHC. Foram incluídas medições dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Juntos, esses dados cobrem uma ampla gama de energias de colisão, de 0,2 teraelétron-volts a 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 faixa mais ampla de energias de colisão de prótons”, diz o professor Kutak.
Entropia e a regra fundamental da mecânica quântica
Uma questão fundamental surge aqui. A entropia durante a fase dominada por quarks e glúons das colisões de prótons é diferente da entropia dos hádrons que mais tarde saem da zona de colisão? De acordo com a fórmula de entropia de Kharzeev-Levin, não deveria. Uma nova análise apoia esta previsão. Embora este resultado surpreenda alguns físicos, outros o vêem como uma consequência natural de um dos princípios mais fundamentais da mecânica quântica conhecido como unitariedade.
O unitarismo pode parecer abstrato, mas a ideia em si é simples. As equações que descrevem como um sistema quântico evolui ao longo do tempo devem preservar a probabilidade total, que é sempre a unidade, 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 o 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 mostra uma certa característica no nível de quarks e glúons diariamente, e outra bem diferente é observá-la em dados reais sobre hádrons criados”, diz o Prof. Ele acrescenta que a unitariedade permite que informações sobre a entropia do párton sejam extraídas em uma ampla gama de energias de colisão.
O que vem a seguir para testes de modelo
Mais testes do modelo dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após a modernização planejada do LHC, o detector ALICE aprimorado será capaz de estudar regiões onde as interações de glúons são ainda mais densas do que as estudadas até agora. Mais informações também são esperadas do Colisor de Íons-Elétrons (EIC), atualmente 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 oferecem uma maneira mais precisa de sondar os densos sistemas de glúons dentro dos prótons individuais.
