A colaboração ALICE do Large Hadron Collider (LHC) do CERN fez a primeira observação directa do efeito do cone morto, uma característica fundamental da teoria da força forte — que une quarks e gluões no interior dos protões e dos neutrões e, também os protões e neutrões no interior dos núcleos atómicos. Para além de confirmar este efeito, o resultado, publicado hoje na revista Nature [https://www.nature.com/articles/s41586-022-04572-w, abre a possibilidade de medir experimentalmente a mass de um quark antes de estar confinado dentro de hadrões (partículas constituídas por quarks).

“Tem sido muito desafiante observar directamente o cone morto”, afirmou Luciano Musa, porta-voz de ALICE. “Mas, utilizando dados de três anos de colisões protão-protão no LHC e técnicas sofisticadas de análise de dados, conseguimos finalmente revelá-lo”.

Quarks e gluões, colectivamente chamados partões, são produzidos em colisões de partículas como as que ocorrem no LHC. Em seguida, os partões formam aquilo a que chamamos um chuveiro de partões, perdendo energia no processo: emitem radiação sob a forma de gluões, que por sua vez também emitem gluões, e assim sucessivamente. O padrão de emissão de radiação deste chuveiro depende da massa do partão inicial, e existe uma região em torno da direcção de voo desse partão em que não podem ser emitidos gluões — o cone morto.

Previsto há trinta anos a partir dos princípios fundamentais da teoria da força forte, o cone morto tem sido indirectamente observado nos colisionadores de partículas. No entanto, tem permanecido um desafio observá-lo directamente a partir do padrão de emissão radiação de um chuveiro de partões. As principais dificuldades são o facto de o cone morto poder ser preenchido durante o desenvolvimento do chuveiro por partículas emitidas por outras a que o partão inicial tenha dado origem; e o facto de a direcção do partão inicial, que se vai alterando à medida que o chuveiro se desenvolve, ser difícil de determinar.

A colaboração da ALICE superou estes desafios ao aplicar técnicas sofisticadas de análise de dados a uma grande amostra de colisões protão-protão no LHC. Estas técnicas permitem recuar no tempo, reconstruindo a evolução do chuveiro de partões a partir dos seus produtos finais — que são os sinais deixados no detector ALICE por um chuveiro de partículas, a que chamamos jacto de partículas. Ao procurar jactos que incluíssem uma partícula contendo um quark c, os investigadores conseguiram identificar um jacto criado por este tipo de quark e reconstituir toda a história da sua emissão de gluões. A comparação do padrão de emissão de radiação de um quark c com o padrão de emissão de radiação dos gluões e dos quarks com massas muito baixas revelou a existência de um cone morto no padrão de emissão do quark c.

O resultado também põe em evidência a massa do quark c, já que a teoria prevê que às partículas sem massa não estão associados cones mortos. “As massas de quark são quantidades fundamentais em física das partículas, mas nas experiências não conseguimos aceder directamente a estas massas e medi-las porque, com excepção do quark top, os quarks estão confinados dentro de partículas compostas”, explica Andrea Dainese, coordenador de física de ALICE. “A nossa técnica bem sucedida de observar directamente o cone morto de um chuveiro de partões pode oferecer uma forma de medir as massas dos quarks”.

 

 

Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP)