ATLAS observa quarks top em colisões chumbo-chumbo

Caros Leitores;

O resultado abre uma nova janela para o estudo do plasma de quarks e gluons que se acredita ter preenchido o Universo brevemente após o Big Bang.

Exibição de uma colisão chumbo-chumbo a 5,02 TeV por par de nucleons que resultou em um par candidato de quarks top que decaem em outras partículas. O evento contém quatro jatos de partículas (cones amarelos), um elétron (linha verde) e um múon (linha vermelha). A incrustação mostra uma visão axial do evento. (Imagem: ATLAS/CERN)

Em uma palestra realizada no CERN esta semana, a colaboração ATLAS no Large Hadron Collider ( LHC ) relatou a observação de quarks top em colisões entre íons de chumbo, marcando a primeira observação desse processo em interações entre núcleos atômicos. Essa observação representa um passo significativo à frente na física de colisões de íons pesados, abrindo caminho para novas medições do plasma quark-gluon ( QGP ) que é criado nessas colisões e fornecendo novos insights sobre a natureza da força forte que une prótons, nêutrons e outras partículas compostas.

No QGP, os componentes fundamentais de prótons e nêutrons – quarks (partículas de matéria) e glúons (portadores de força forte) – não estão presos dentro de partículas, mas existem em um estado “desconfinado” de matéria, formando um fluido denso quase perfeito. Os cientistas acreditam que o QGP preencheu o Universo brevemente após o Big Bang e seu estudo oferece um vislumbre das condições daquela época inicial na história do nosso Universo. No entanto, a vida útil extremamente curta do QGP quando criado em colisões de íons pesados ​​– cerca de 10 −23  segundos – significa que ele não pode ser observado diretamente. Em vez disso, os físicos estudam partículas que são produzidas nessas colisões e passam pelo QGP, usando-as como sondas das propriedades do QGP.

O quark top, em particular, é uma sonda muito promissora da evolução do QGP ao longo do tempo . Como a partícula elementar mais pesada conhecida, o quark top decai em outras partículas uma ordem de magnitude mais rápido do que o tempo necessário para formar o QGP. O atraso entre a colisão e os produtos de decaimento do quark top interagindo com o QGP poderia servir como um "marcador de tempo", oferecendo uma oportunidade única para estudar a dinâmica temporal do QGP. Além disso, os físicos poderiam extrair novas informações sobre funções de distribuição de partons nucleares, que descrevem como o momento de um nucleon (próton ou nêutron) é distribuído entre seus quarks e glúons constituintes.

Em seu novo resultado , os físicos do ATLAS estudaram colisões de íons de chumbo que ocorreram em uma energia de colisão de 5,02 teraeletronvolts (TeV) por par de nucleons durante a Execução 2 do LHC. Eles observaram a produção de quarks top no "canal dilepton", onde os quarks top decaem em um quark bottom e um bóson W , que subsequentemente decai em um elétron ou um múon e um neutrino associado. O resultado tem uma significância estatística de 5,0 desvios-padrão , tornando-se a primeira observação da produção de pares de quarks top em colisões núcleo-núcleo. A colaboração CMS havia relatado anteriormente evidências desse processo em colisões chumbo-chumbo.

A observação foi possível graças às capacidades precisas de reconstrução de léptons do experimento ATLAS, juntamente com alguns outros elementos. Isso inclui as altas estatísticas do conjunto completo de dados lead-lead Run-2, estimativas baseadas em dados de processos de fundo que podem imitar o sinal, novas simulações de eventos de quark top e métodos dedicados de calibração de jato. Notavelmente, a análise não depende de técnicas que "marcam" o jato originário do quark bottom. Isso abre a possibilidade de a análise ser usada para a calibração de marcação de fundo notoriamente difícil em colisões de íons pesados, o que melhoraria futuras medições dos quarks top produzidos durante essas colisões.

Os físicos do ATLAS mediram a taxa de produção do par de quarks top, ou “seção transversal”, com uma incerteza relativa de 35%. A incerteza total é primariamente impulsionada pelo tamanho do conjunto de dados, o que significa que novos dados de íons pesados ​​da Run 3 em andamento aumentarão a precisão da medição.

O novo resultado do ATLAS abre uma janela para o estudo do QGP. Em estudos futuros, os cientistas do ATLAS também considerarão o canal de decaimento “semi-leptônico” dos pares de quarks top em colisões de íons pesados, o que pode permitir que eles tenham um primeiro vislumbre da evolução do QGP ao longo do tempo.

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Fonte: CERN / Por colaboração Atlas /  Publicação 15/11/2024

https://home.cern/news/news/physics/atlas-observes-top-quarks-lead-lead-collisions

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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

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