Colisões de prótons de alta energia podem ser imaginadas como um mar agitado de quarks e gluons, incluindo partículas virtuais de vida curta. À primeira vista, esse ambiente extremo parece muito mais complexo do que a fase posterior, quando partículas menos numerosas e mais estáveis voam para fora do ponto de colisão. Pode-se esperar que as partículas nessa fase inicial se comportem de maneira muito diferente. No entanto, dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC) mostram que essa intuição é enganosa. Os resultados são melhor explicados por um modelo refinado que captura como as colisões de prótons realmente se desenrolam.
Quando dois prótons colidem em energias muito altas, uma enorme quantidade de eventos acontece em um instante. Os prótons são hádrons, ou seja, são compostos por partons, que incluem quarks e os gluons que os mantêm unidos. Durante uma colisão, esses quarks e gluons, incluindo os virtuais que aparecem apenas brevemente, interagem de maneiras complicadas. À medida que o sistema esfria, os quarks se combinam para formar novos hádrons que se dispersam e são detectados por experimentos. Com base nessa imagem, parece razoável supor que a desordem do sistema, conhecida como entropia, deve mudar entre a fase inicial dos partons e a fase posterior dos hádrons. A fase dos partons parece especialmente caótica, com muitos partículas interagindo ao mesmo tempo.
Nova Pesquisa sobre Entropia em Colisões de Prótons
As descobertas mais recentes sobre essa questão foram publicadas na Physical Review D pelo Prof. Krzysztof Kutak e o Dr. Sandor Lokos 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 de quarks e gluons com a entropia das partículas eventualmente produzidas e medidas.
“Na física de alta energia, modelos de dipolo têm sido usados há algum tempo para descrever a evolução de sistemas densos de gluons. Esses modelos assumem que cada gluon 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 gluons. Modelos de dipolo baseados no número médio de hádrons produzidos em uma colisão nos permitem estimar a entropia dos partons,” explica o Prof. Kutak, que estuda a entropia de sistemas de quarks e gluons há mais de dez anos.
Aprimorando Modelos de Dipolo com Novas Ideias
Há dois anos, o Prof. Kutak e o Dr. Pawel Caputa da Universidade de Estocolmo introduziram uma versão atualizada do modelo de dipolo. Eles começaram com um modelo estabelecido que descreve como os sistemas de gluons evoluem e o trataram como a contribuição dominante. Em seguida, adicionaram efeitos adicionais que se tornam importantes em energias de colisão mais baixas, onde menos hádrons são produzidos. Esse avanço foi possível porque os pesquisadores identificaram conexões entre as equações usadas nos modelos de dipolo e aquelas encontradas na teoria da complexidade.
Para testar este modelo de dipolo generalizado, o Dr. Lokos sugeriu compará-lo com dados experimentais reais do LHC. Medições dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb foram incluídas. Juntas, esses dados abrangem uma ampla gama de energias de colisão, de 0,2 teraeletronvolts até 13 TeV, que é a maior energia atualmente alcançável no LHC.
“Em nosso artigo, mostramos que o modelo de dipolo generalizado descreve os dados existentes de maneira mais precisa do que os modelos de dipolo anteriores e, além disso, funciona bem em uma gama mais ampla de energias de colisão de prótons,” diz o Prof. Kutak.
Entropia e uma Regra Fundamental da Mecânica Quântica
Isso levanta uma questão-chave. A entropia durante a fase dominada por quarks e gluons de uma colisão de prótons difere da entropia dos hádrons que posteriormente escapam da zona de colisão? De acordo com a fórmula de Kharzeev-Levin para entropia, não deveria. A nova análise confirma essa previsão. Embora esse resultado surpreenda alguns físicos, outros o veem como uma consequência natural de um dos princípios mais básicos da mecânica quântica conhecido como unitariedade.
A unitariedade pode parecer abstrata, mas a ideia em si é simples. As equações que descrevem como um sistema quântico evolui ao longo do tempo devem conservar a probabilidade total, que sempre soma um, e devem permitir que processos sejam revertidos. Em termos simples, a unitariedade significa que a informação e a probabilidade não podem desaparecer ou aparecer do nada.
“A unitariedade da mecânica quântica é algo que os estudantes de física aprendem. O formalismo da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve o mundo dos quarks e gluons, é baseado na unitariedade. No entanto, lidar com uma teoria que apresenta uma certa característica no nível de quarks e gluons diariamente é uma coisa, e observar isso em dados reais de hádrons produzidos é outra,” observa o Prof. Kutak. Ele acrescenta que a unitariedade torna possível extrair informações sobre a entropia dos partons em uma ampla gama de energias de colisão.
Próximos Passos para Testar o Modelo
Novos testes do modelo de dipolo generalizado são esperados nos próximos anos. Após a atualização planejada do LHC, o detector ALICE melhorado poderá estudar regiões onde as interações de gluons são ainda mais densas do que as examinadas até agora. Além disso, novas informações também são esperadas do Colisor Eletrão-Ião (EIC), agora em construção no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA. No EIC, elétrons colidirão com prótons. Como os elétrons são partículas elementares, esses experimentos oferecerão uma maneira mais clara de investigar sistemas densos de gluons dentro de prótons individuais.
