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Quando os núcleos de chumbo (esquerda) colidem, a distribuição de nêutrons afeta a forma da matéria plasmática de quark-glúon produzida (meio), deixando marcas mensuráveis nas distribuições das partículas detectadas (direita). (Imagem: CERN)
Esta é a primeira medição da camada de nêutrons do chumbo-208 usando a força forte como sonda e pode fornecer informações sobre a estrutura dos núcleos e das estrelas de nêutrons.
Lead-208 tem um núcleo intrigante. É rico em nêutrons, contendo 82 prótons e 126 nêutrons. Uma de suas propriedades mais interessantes é a sua estrutura: seu centro é composto por prótons e nêutrons, mas em sua borda há uma camada difusa composta principalmente de nêutrons. Os cientistas chamam isso de “pele” de nêutrons. A pesquisa sobre a pele de nêutrons pode ajudar a aprofundar nossa compreensão da cromodinâmica quântica, ou seja, como se comportam os quarks e os glúons (partículas de troca da força forte) no núcleo. Isto também pode ter aplicações em astrofísica, fornecendo informações sobre a estrutura das estrelas de nêutrons – o núcleo muito denso deixado para trás depois que uma estrela entre 10 e 25 vezes a massa do Sol sofreu uma explosão de supernova.
Usando dados de execuções de íons pesados do Grande Colisor de Hádrons, os físicos teóricos do CERN conseguiram determinar que a espessura da camada de nêutrons do chumbo-208 é de 0,217±0,058 femtômetros. Isto está de acordo com medições anteriores obtidas por outras colaborações usando métodos diferentes. No total, os cientistas usaram 670 pontos de dados retirados das execuções 1 e 2 do LHC, principalmente da experiência ALICE, com alguns do ATLAS e CMS.
Medir a espessura dessa camada de nêutrons não é tarefa fácil. Embora a estrutura dos prótons no núcleo possa ser determinada por meio do espalhamento de elétrons, os nêutrons não têm carga e, portanto, não espalham os elétrons da mesma maneira. No entanto, os nêutrons são fortemente afetados pela força nuclear forte, que une quarks e glúons nos núcleos dos átomos.
Na corrida de íons pesados do Grande Colisor de Hádrons, feixes de chumbo-208 são disparados em direções opostas e colididos em altas energias. Esses núcleos são contraídos por Lorentz por fatores de até 2.500, o que significa que são “esmagados” em uma panqueca plana que se move próximo à velocidade da luz. No momento da colisão, devido à imensa energia e pressão nos núcleos em colisão, os glúons que mantêm os quarks dentro dos núcleons juntos são dilacerados, criando uma substância chamada plasma de quark-glúons. Acredita-se que o plasma de quark-glúon seja o que consistia o Universo momentos após o Big Bang, e também se teoriza que esteja no núcleo das estrelas de nêutrons.
À medida que a pressão e a temperatura diminuem no LHC, este plasma decai em partículas, que podem ser rastreadas pelos detectores do LHC para mostrar as propriedades do plasma de quark-gluon. No chumbo-208, a distribuição dos prótons e nêutrons determina o tamanho e a forma do plasma de quark-glúon. Isto permite aos físicos “ver” a estrutura do núcleo do chumbo-208 e, assim, calcular a espessura da sua pele de neutrões.
Esta é a primeira vez que a espessura da camada de nêutrons do chumbo-208 foi medida usando a força forte. A colaboração Lead Radius Experiment (PREX) no Thomas Jefferson National Accelerator Facility na Virgínia obteve um resultado semelhante de 0,283±0,071 fm em 2021 . No entanto, isso foi determinado usando técnicas que utilizam a força eletrofraca, em oposição à força forte.
“O que é entusiasmante nesta nova determinação é que é feita usando apenas dados existentes e ainda assim proporciona uma incerteza competitiva quando comparada com outras determinações experimentais,” disse Wilke van der Schee, do departamento de Física Teórica do CERN, um dos autores do artigo. “No futuro, medições mais dedicadas poderão definitivamente melhorar a precisão da extração dos dados do LHC”.
“O resultado conecta a pesquisa de físicos de áreas aparentemente distantes de uma forma sem precedentes”, acrescenta Giuliano Giacalone, um dos autores do artigo da Universidade de Heidelberg. “Reúne os tópicos de colisões nucleares de alta energia, estrelas de nêutrons e estrutura nuclear”.
Consulte Mais informação:
Fonte: CERN / Publicação 15/11/2023
https://home.cern/news/news/physics/thick-skinned-using-heavy-ion-collisions-lhc-scientists-determine-thickness
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