Cálculo mostra por que quarks pesados ​​são apanhados no fluxo – Strong The One

A resposta, ao que parece, é muito rápida. Conforme descrito em um artigo recém-publicado em Cartas de revisão física, a transferência de momento dos quarks e glúons “liberados” para os quarks mais pesados ​​ocorre no limite do que a mecânica quântica permite. Esses quarks e glúons têm tantas interações fortes e de curto alcance com os quarks mais pesados ​​que puxam as partículas semelhantes a “rochas” junto com seu fluxo.

O trabalho foi liderado por Peter Petreczky e Swagato Mukherjee, do grupo de teoria nuclear do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, e incluiu teóricos das universidades de Bielefeld, Regensburg e Darmstadt, na Alemanha, e da Universidade de Stavanger, na Noruega.

O cálculo ajudará a explicar os resultados experimentais que mostram quarks pesados ​​sendo apanhados no fluxo de matéria gerado em colisões de íons pesados ​​no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) em Brookhaven e no Large Hadron Collider (LHC) no laboratório europeu do CERN. A nova análise também acrescenta evidências corroborantes de que essa matéria, conhecida como “plasma de quark-gluon” (QGP), é um líquido quase perfeito, com uma viscosidade tão baixa que também se aproxima do limite quântico.

“Inicialmente, ver os quarks pesados ​​fluindo com o QGP no RHIC e o LHC foi muito surpreendente”, disse Petreczky. “Seria como ver uma pedra pesada ser arrastada pela água de um riacho. Normalmente, a água corre, mas a pedra fica.”

O novo cálculo revela por que essa imagem surpreendente faz sentido quando você pensa na viscosidade extremamente baixa do QGP.

Fluxo sem atrito

A baixa viscosidade da matéria gerada nas colisões de íons de ouro do RHIC, relatada pela primeira vez em 2005, foi um grande motivador para o novo cálculo, disse Petreczky. Quando essas colisões derretem os limites de prótons e nêutrons individuais para liberar os quarks e glúons internos, o fato de o QGP resultante fluir praticamente sem resistência é uma evidência de que existem muitas interações fortes entre os quarks e glúons na sopa quente de quarks.

“A baixa viscosidade implica que o ‘caminho livre médio’ entre os quarks e glúons ‘derretidos’ no QGP quente e denso é extremamente pequeno”, disse Mukherjee, explicando que o caminho livre médio é a distância que uma partícula pode percorrer antes de interagir com outra partícula.

“Se você pensa em tentar andar no meio da multidão, é a distância típica que você pode percorrer antes de esbarrar em alguém ou ter que mudar de curso”, disse ele.

Com um caminho livre médio curto, os quarks e glúons interagem com frequência e intensidade. As colisões dissipam e distribuem a energia das partículas em movimento rápido e o QGP que interage fortemente exibe comportamento coletivo – incluindo fluxo quase sem atrito.

“É muito mais difícil mudar o momento de um quark pesado porque é como um trem – difícil de parar”, observou Mukherjee. “Ele teria que passar por muitas colisões para ser arrastado junto com o plasma.”

Mas se o QGP for de fato um fluido perfeito, o caminho livre médio para as interações de quarks pesados ​​deve ser curto o suficiente para tornar isso possível. Calcular o coeficiente de difusão de quarks pesados ​​– que é proporcional à força com que os quarks pesados ​​estão interagindo com o plasma – foi uma forma de verificar esse entendimento.

Triturando os números

Os cálculos necessários para resolver as equações da cromodinâmica quântica (QCD) – a teoria que descreve as interações de quarks e glúons – são matematicamente complexos. Vários avanços na teoria e poderosos supercomputadores ajudaram a preparar o caminho para o novo cálculo.

“Em 2010/11 começamos a usar um atalho matemático, que assumiu que o plasma consistia apenas de glúons, sem quarks”, disse Olaf Kaczmarek, da Universidade de Bielefeld, que liderou a parte alemã desse esforço. Pensar apenas em glúons ajudou a equipe a elaborar seu método usando QCD de rede. Neste método, os cientistas executam simulações de interações de partículas em uma rede de espaço-tempo quadridimensional discretizada. Essencialmente, eles “colocam” as partículas em posições discretas em uma grade 3D imaginária para modelar suas interações com as partículas vizinhas e ver como essas interações mudam ao longo do tempo (o 4^º dimensão). Eles usam muitos arranjos iniciais diferentes e incluem distâncias variáveis ​​entre as partículas.

Depois de elaborar o método apenas com glúons, eles descobriram como adicionar a complexidade dos quarks.

Os cientistas carregaram um grande número de configurações de amostra de quarks e glúons na rede 4D e usaram métodos de Monte Carlo – amostragem aleatória repetida – para tentar encontrar a distribuição mais provável de quarks e glúons dentro da rede.

“Ao calcular a média dessas configurações, você obtém uma função de correlação relacionada ao coeficiente de difusão de quarks pesados”, disse Luis Altenkort, aluno de pós-graduação da Universidade de Bielefeld que também trabalhou nesta pesquisa no Brookhaven Lab.

Como analogia, pense em estimar a pressão do ar em uma sala por amostragem das posições e movimentos das moléculas. “Você tenta usar as distribuições mais prováveis ​​de moléculas com base em outra variável, como a temperatura, e exclui configurações improváveis ​​- como todas as moléculas de ar agrupadas em um canto da sala”, disse Altenkort.

No caso do QGP, os cientistas estavam tentando simular um sistema termalizado – onde mesmo na escala de tempo de minúscula fração de segundo de colisões de partículas de íons pesados, os quarks e glúons chegam a uma temperatura de equilíbrio.

Eles simularam o QGP em uma faixa de temperaturas fixas e calcularam o coeficiente de difusão do quark pesado para cada temperatura para mapear a d