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O estudante de graduação da Flórida, Jason Barlow, trabalha em uma parte do detector GlueX no Jefferson National Laboratory. Os cientistas da FSU pintaram a parte do detector GlueX que construíram em granada e ouro. Crédito: FSU
Colisões fóton-próton estão sendo usadas por físicos em Universidade Estadual da Flórida para capturar partículas em uma faixa de energia desconhecida, revelando novos insights sobre a substância que mantém o núcleo unido.
“Queremos entender não apenas o núcleo, mas tudo o que o constitui”, disse o professor de física da FSU, Paul Eugenio. “Estamos trabalhando para compreender as partículas e forças que constituem o nosso mundo.”
O grupo de física hadrônica da FSU é um membro líder da Colaboração GlueX no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA. O grupo realizou experiências altamente sofisticadas 24 horas por dia, durante meses seguidos, durante vários anos, começando em 2016. O seu objetivo principal é descobrir novos conhecimentos sobre a substância, conhecida como campo gluónico, que une os quarks. Quarks são as partículas básicas a partir das quais os prótons e nêutrons são criados.
Em um novo artigo Publicados em Cartas de revisão físicao grupo de física hadrônica da Florida State University e seus colaboradores apresentaram as primeiras medições de uma partícula subatômica – chamada partícula J/psi – criada a partir da energia do fóton-colisões de prótons.
“É muito legal ver”, disse o professor assistente de física Sean Dobbs. “Isso está abrindo uma nova fronteira da física.”
Quando os pesquisadores realizam esses experimentos, eles lançam um feixe de fótons no espectrômetro GlueX, onde ele passa por um recipiente de hidrogênio líquido e reage com os prótons no núcleo desses átomos de hidrogênio. A partir daí, os detectores medem as partículas criadas nessas colisões, o que permite aos físicos reconstruir os detalhes da colisão e aprender mais sobre as partículas criadas.
Dobbs comparou isso a um acidente de carro. Você pode não ver o acidente acontecer, mas vê o resultado e pode trabalhar de trás para frente. Neste caso, os investigadores recolheram cerca de um a dois milhões de gigabytes de dados por ano através deste processo para tentar montar o puzzle.
A partícula J/psi é composta por um par de quarks – um quark charm e um quark anti-charm. Ao medir a partícula J/psi nestas colisões, os cientistas também podem procurar a produção de outras partículas subatómicas contendo quarks charm.
As medições foram feitas em um limite de energia abaixo de onde estudos anteriores analisaram os níveis de produção, o que significa que era mais sensível à distribuição dos glúons no próton e suas contribuições para a massa do próton.
Os cientistas descobriram uma produção muito maior de partículas J/psi do que o esperado, o que significa que esta estrutura gluónica é um grande contribuinte para a massa da estrutura do protão e, portanto, do núcleo como um todo. Estas medições iniciais sugerem que os glúons contribuem diretamente com mais de 80% da massa do próton. Outras medições destas reações atualmente em andamento darão mais informações sobre como os glúons estão distribuídos ao redor do núcleon.
Essas medições também questionaram observações de experimentos no Large Hadron Collider, um detector de partículas em CERN, a Organização Europeia para a Investigação Nuclear. Os cientistas vislumbraram brevemente o que chamam de pentaquarks – partículas de vida curta feitas de cinco quarks.
Os físicos da FSU não viram especificamente pentaquarks em seus dados, o que descartou vários modelos que tentam descrever a estrutura desses pentaquarks. Espera-se que novas medições em andamento forneçam uma resposta mais definitiva sobre como os cinco quarks estão organizados nessas partículas.
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Este trabalho é financiado pelo Departamento de Energia e apoiado pelo Thomas Jefferson National Accelerator Facility. A colaboração GlueX envolve cientistas de 29 instituições de todo o mundo.
O professor Volker Credé da FSU, os cientistas da FSU Alexander Ostrovidov, o pós-doutorado Daniel Lersch e vários estudantes de pós-graduação da FSU contribuíram para este trabalho. Os alunos de pós-graduação são Jason Barlow, Edmundo Barriga, Bradford Cannon, Ashley Ernst, Angelica Gonçalves e Lawrence Ng.
Referência: “Primeira Medição de Perto do Limiar J./ψ Fotoprodução exclusiva do Proton” por A. Ali et al. (Colaboração GlueX), 13 de agosto de 2019, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.072001