A pesquisa, realizada no âmbito do experimento ALICE no Grande Colisor de Hádrons do CERN e publicada na revista Physical Review Letters , apresenta a primeira medição multidimensional da produção fotonuclear incoerente de J/ψ (pronuncia-se "JÊ-sué") em função da energia de interação e da transferência de momento. A medição oferece aos cientistas a visão mais clara até o momento de como os glúons, as partículas que mantêm os quarks unidos, estão organizados dentro dos núcleos atômicos em altas energias.

"Embora os quarks sejam frequentemente descritos como os blocos de construção fundamentais da matéria, quase toda a massa do universo visível — dos átomos em nossos corpos à matéria dentro das estrelas — na verdade provém da energia transportada pelos glúons e da força forte que mantém os quarks unidos", disse o físico nuclear Daniel Tapia Takaki, professor de física e astronomia da Universidade de Kansas (KU) e membro da colaboração ALICE. "Compreender como os glúons se comportam dentro dos núcleos é, portanto, essencial para entender como a própria matéria adquire sua massa e estrutura."

Takaki desempenhou um papel fundamental na pesquisa, colaborando estreitamente com investigadores da Universidade Técnica Checa em Praga, onde a KU mantém uma parceria institucional que inclui intercâmbios de estudantes e pesquisadores.

Usando J/ψ como sonda

Para estudar como os glúons flutuam dentro dos núcleos com uma resolução espacial maior do que era possível anteriormente, a equipe utilizou uma técnica experimental chamada produção fotonuclear incoerente de J/ψ .

"As medições foram realizadas usando dados coletados durante a segunda fase de testes do Grande Colisor de Hádrons (LHC), onde núcleos de chumbo em alta velocidade passam próximos uns dos outros sem colidir diretamente", disse Takaki. "Nesses encontros, os intensos campos eletromagnéticos que circundam os núcleos se comportam como feixes de fótons de alta energia. Quando um desses fótons atinge outro núcleo, ele pode produzir brevemente uma partícula chamada J/ψ, cuja produção fornece uma sonda sensível da estrutura subjacente dos glúons."

Ao contrário de outras medições que fazem a média sobre todo o núcleo, a produção incoerente de J/ψ é sensível a flutuações locais na densidade de glúons, permitindo que os pesquisadores investiguem estruturas menores que um próton. Esses intensos campos de glúons, presentes dentro de cada núcleo atômico, compõem quase toda a matéria visível do universo. No entanto, seu comportamento coletivo continua sendo um dos maiores desafios da física moderna.

"Nossos experimentos usando produção incoerente são como trocar uma imagem borrada por um microscópio de alta resolução", disse Takaki. "Esse processo nos permite ver como os glúons flutuam e se organizam dentro dos núcleos. Ao variar a transferência de momento, nosso experimento efetivamente muda o foco do nosso microscópio. Com resoluções de 0,6, 0,3 e 0,2 femtômetros, o experimento ALICE sondou progressivamente regiões menores dentro do núcleo. A resolução mais fina corresponde a estruturas com apenas cerca de um quarto do tamanho de um próton."

Segundo Takaki, se um núcleo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, a medição de mais alta resolução da colaboração ALICE seria capaz de distinguir detalhes com apenas alguns metros de diâmetro no campo de jogo.

"Nessas escalas extraordinárias, observamos evidências de que os glúons começam a se comportar coletivamente, um fenômeno conhecido como saturação de glúons", disse ele.

Takaki foi pioneiro nessa abordagem e contribuiu para modelos teóricos que descrevem como os glúons formam regiões localizadas de alta densidade — às vezes chamadas de "pontos quentes". No modelo de ponto quente dependente da energia, essas regiões evoluem com a energia de colisão e podem fornecer indícios de nova física na interação forte.

No novo estudo, os pesquisadores mediram a produção incoerente de J/ψ em uma ampla gama de energias fóton-núcleo — de 20 a 633 bilhões de elétron-volts — e também examinaram como a interação muda com a transferência de momento, que corresponde à precisão com que o núcleo está sendo sondado.

"Os resultados revelaram um padrão impressionante", disse o pesquisador da KU. "Nas menores escalas espaciais exploradas no experimento, a taxa de produção de partículas J/ψ é significativamente suprimida, com uma significância estatística de cerca de três desvios padrão."

Ele afirmou que essa supressão desafia uma explicação antiga conhecida como "sombreamento nuclear", que descreveu com sucesso medições anteriores.

"Nesse contexto, os glúons dentro de um núcleo se sobrepõem parcialmente e se obscurecem mutuamente — de forma semelhante a camadas de nuvens que bloqueiam a luz solar — reduzindo a probabilidade de certos processos de produção de partículas", disse ele.

As novas medições indicam que o sombreamento nuclear convencional, por si só, não consegue explicar completamente os dados observados.

"Em vez disso, as observações são consistentes com um fenômeno diferente conhecido como ' saturação de glúons ', previsto pela teoria da cromodinâmica quântica, que descreve a força forte", disse Takaki. "Nesse regime, os glúons ficam tão densamente compactados que começam a interagir fortemente uns com os outros, limitando quantos podem existir em uma determinada região."