Provocando matéria estranha do comum – Strong The One

É um resultado que vem sendo construído há décadas. O conjunto de dados foi originalmente coletado em 2004. Lamiaa El Fassi, agora professora associada de física na Mississippi State University e principal pesquisadora do trabalho, analisou pela primeira vez esses dados durante seu projeto de tese para obter seu diploma de pós-graduação em um tópico diferente.

Quase uma década depois de concluir sua pesquisa inicial com esses dados, El Fassi revisitou o conjunto de dados e conduziu seu grupo a uma análise cuidadosa para produzir essas medições sem precedentes. O conjunto de dados vem de experimentos no Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) do Jefferson Lab, um usuário do DOE. No experimento, os físicos nucleares rastrearam o que aconteceu quando os elétrons do CEBAF se espalharam pelo núcleo alvo e sondaram os quarks confinados dentro de prótons e nêutrons. Os resultados foram publicados recentemente no Cartas de revisão física.

“Esses estudos ajudam a construir uma história, análoga a um filme, de como o quark atingido se transforma em hádrons. “El Fassi disse.

Entra como um lambda, sai como um pion

Como os prótons e nêutrons mais familiares, cada lambda é composto de três quarks.

Ao contrário dos prótons e nêutrons, que contêm apenas uma mistura de acima e abaixo quarks, lambdas contêm um acima quark, um abaixo quark e um estranho quark. Os físicos apelidaram a matéria que contém estranho quarks “matéria estranha”.

Neste trabalho, El Fassi e seus colegas estudaram como essas partículas de matéria estranha se formam a partir de colisões de matéria comum. Para isso, dispararam o feixe de elétrons do CEBAF em diferentes alvos, incluindo carbono, ferro e chumbo. Quando um elétron de alta energia do CEBAF atinge um desses alvos, ele quebra um próton ou nêutron dentro de um dos núcleos do alvo.

“Como o próton ou o nêutron está totalmente quebrado, há poucas dúvidas de que o elétron interage com o quark dentro”, disse El Fassi.

Depois que o elétron interage com um quark ou quarks por meio de um fóton virtual trocado, o(s) quark(s) “atingido(s)” começa(m) a se mover como uma partícula livre no meio, normalmente juntando-se a outro(s) quark(s) que encontra para formar uma nova partícula composta medida que se propagam através do núcleo. E algumas vezes, essa partícula composta será um lambda.

Mas o lambda tem vida curta – após a formação, ele decairá rapidamente em duas outras partículas: um píon e um próton ou nêutron. Para medir diferentes propriedades dessas partículas lambda criadas brevemente, os físicos devem detectar suas duas partículas filhas, bem como o feixe de elétrons que se espalhou pelo núcleo alvo.

O experimento que coletou esses dados, EG2, usou o detector CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) no Experimental Hall B do Jefferson Lab. Esses resultados publicados recentemente, “Primeira medição de ? da colaboração CLAS, que envolve quase 200 físicos em todo o mundo.

SIDIS

Este trabalho é o primeiro a medir o lambda usando este processo, que é conhecido como espalhamento inelástico profundo semi-inclusivo, nas regiões de fragmentação para frente e para trás. É mais difícil usar esse método para estudar partículas lambda, porque a partícula decai tão rapidamente que não pode ser medida diretamente.

“Esta classe de medição só foi realizada em prótons antes e em partículas mais leves e estáveis”, disse o coautor William Brooks, professor de física na Universidade Técnica Federico Santa María e co-porta-voz do experimento EG2.

A análise foi tão desafiadora que levou vários anos para El Fassi e seu grupo reanalisar os dados e extrair esses resultados. Foi seu orientador de tese, Kawtar Hafidi, que a encorajou a continuar a investigação do lambda a partir desses conjuntos de dados.

“Gostaria de elogiar o trabalho árduo e a perseverança de Lamiaa em dedicar anos de sua carreira trabalhando nisso”, disse Hafidi, diretor associado do laboratório de ciências físicas e engenharia do Argonne National Lab e co-porta-voz do experimento EG2. “Sem ela, este trabalho não teria se concretizado.”

“Não tem sido fácil”, disse El Fassi. “É um processo longo e demorado, mas valeu o esforço. Quando você passa tantos anos trabalhando em algo, é bom vê-lo publicado.”

El Fassi começou essa análise lambda quando ela mesma era pós-doutora, alguns anos antes de se tornar professora assistente na Mississippi State University. Ao longo do caminho, vários de seus próprios pós-doutorandos no estado do Mississippi ajudaram a extrair esses resultados, incluindo a coautora Taya Chetry.

“Estou muito feliz e motivado em ver este trabalho sendo publicado”, disse Chetry, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Florida International University.

Dois por um

Uma descoberta notável dessa análise intensiva muda a maneira como os físicos entendem como os lambdas se formam após as colisões de partículas.

Em estudos semelhantes que usaram espalhamento inelástico profundo semi-inclusivo para estudar outras partículas, as partículas de interesse geralmente se formam depois que um único quark foi “atingido” pelo fóton virtual trocado entre o feixe de elétrons e o núcleo alvo. Mas o sinal deixado por lambda no detector CLAS sugere um acordo mais empacotado.

A análise dos autores mostrou que, ao formar um lambda, o photonha virtual é absorvido parte do tempo por um par de quarks, conhecido como diquark, em vez de apenas um. Depois de ser “atingido”, esse diquark encontrou um quark estranho e formou um lambda.

“Esse emparelhamento de quarks sugere um mecanismo diferente de produção e interação do que no caso da interação de um único quark”, disse Hafidi.

Uma melhor compreensão de como diferentes partículas se