Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

Para compreender o universo em seu nível mais fundamental, os físicos estudam o que acontece quando a matéria é esmagada com tal força que os próprios blocos de construção dos átomos se dissolvem. Sob condições normais, prótons e nêutrons são feitos de partículas menores chamadas quarks, que são coladas tão firmemente que não podem existir por conta própria. No entanto, se energia suficiente for concentrada em um espaço minúsculo, essa cola derrete. Os quarks e as partículas que carregam a força entre eles, chamadas glúons, libertam-se e formam um novo estado da matéria conhecido como plasma de quark-glúon. Acredita-se que este estado tenha existido por uma fração de segundo logo após o Big Bang. Os cientistas recriam este ambiente extremo colidindo núcleos atómicos pesados a velocidades próximas da da luz. Ao observar quais partículas emergem destas colisões, os investigadores podem aprender como esta sopa primordial se comporta, como arrefece e como acaba por se remontar na matéria que compõe o nosso mundo hoje.

Uma questão fundamental neste campo é como as partículas estranhas são criadas neste plasma. No mundo padrão dos átomos, partículas que contêm quarks "estranhos" são raras e difíceis de produzir. Mas no ambiente quente e denso do plasma de quark-glúon, a teoria sugere que os quarks estranhos deveriam ser criados muito mais facilmente e em maior número do que em colisões ordinárias. Este fenómeno, conhecido como realce de estranheza, tem sido uma assinatura que os cientistas procuram para provar que este estado especial de matéria se formou. Durante anos, os investigadores observaram este efeito em grandes colisões entre núcleos pesados, mas a história tornou-se complicada quando começaram a observar colisões menores, como aquelas entre um único protão e um núcleo pesado. Surpreendentemente, partículas estranhas também apareceram nestes choques menores, desde que a colisão fosse violenta o suficiente. Isto levantou uma nova questão: a criação destas partículas é impulsionada pelo tamanho dos objetos em colisão ou é impulsionada simplesmente pelo número de partículas produzidas no choque, independentemente do tamanho?

Para responder a isto, a colaboração ALICE no Grande Colisor de Hádrões, na Europa, analisou uma vasta coleção de dados de colisões chumbo-chumbo. Estas colisões ocorreram a uma energia de 5,02 TeV por par de nucleões, um recorde elevado para a segunda grande fase de operações do colisor entre 2015 e 2018. A equipa focou-se numa família específica de partículas: aquelas que contêm quarks estranhos. Observaram partículas estranhas individuais, como o kaon neutro e o bárion lambda, bem como partículas multi-estranhas, como o cascata e o omega, que contêm dois ou três quarks estranhos, respetivamente. Ao utilizar o conjunto completo de dados da fase, que incluía 280 milhões de eventos de colisão, os investigadores puderam medir estas partículas com uma precisão sem precedentes através de uma vasta gama de "centralidade" de colisão. A centralidade descreve quão frontal é a colisão; uma colisão central é um choque direto e frontal, enquanto uma colisão periférica é mais um toque lateral. Isto permitiu à equipa ver como a produção de partículas muda à medida que a violência da colisão varia do mais extremo ao mais suave.

Os investigadores descobriram que o comportamento destas partículas estranhas muda dramaticamente dependendo de quão central é a colisão. Nas colisões centrais mais violentas, as partículas emergem com velocidades médias mais elevadas e uma dispersão de momento mais ampla do que nas colisões periféricas mais suaves. Isto sugere que, nos choques mais energéticos, a matéria criada expande-se para fora com um forte impulso coletivo, tal como um fluido sendo espremido. Quando observaram a razão entre báriões estranhos e mésons estranhos, viram um pico distinto em velocidades intermédias. Este pico era muito mais alto e deslocado para velocidades mais altas em colisões centrais comparativamente às periféricas. Este padrão alinha-se com a ideia de que a matéria quente e densa se comporta como um fluido que empurra bárions mais pesados para velocidades mais altas de forma mais eficaz do que mésons mais leves.

Talvez a descoberta mais significativa tenha sido como estes resultados se conectam a sistemas de colisão menores. A equipa comparou os seus dados chumbo-chumbo com resultados anteriores de colisões protão-protão e protão-núcleo. Descobriram que, quando traçavam a produção de partículas estranhas contra o número total de partículas carregadas criadas no evento, os dados de todos os três tipos de colisão caíam numa única curva suave. Quer a colisão fosse entre dois núcleos pesados, um protão e um núcleo, ou dois protões, a produção de partículas estranhas dependia quase inteiramente da atividade total do evento, não do tamanho ou do tipo dos objetos em colisão. Esta ligação suave sugere que o mecanismo que impulsiona a criação destas partículas é universal. Implica que, uma vez atingido um certo nível de atividade, o sistema comporta-se de forma semelhante, quer tenha sido formado por uma colisão pequena ou grande.

O estudo também testou um modelo computacional específico chamado EPOS 4, que tenta simular a física complexa destas colisões. O modelo reproduziu com sucesso as tendências gerais observadas nos dados, incluindo a forma como as velocidades das partículas mudavam com a centralidade da colisão e o padrão geral de produção de partículas estranhas. No entanto, o modelo não coincidiu perfeitamente com os dados em todos os detalhes. Tendeu a prever velocidades ligeiramente mais baixas para as partículas do que o que foi realmente medido, e sobrestimou a força do pico de partículas estranhas em colisões menos violentas. Apesar destas pequenas discrepâncias, o facto de o modelo conseguir capturar as características amplas dos dados fornece um forte apoio à compreensão atual de como estes sistemas evoluem.

Em última análise, este trabalho confirma que a produção de partículas estranhas é governada pela densidade da colisão, e não pela geometria dos objetos em colisão. O realce de partículas estranhas, outrora pensado como uma assinatura única do plasma de quark-glúon em núcleos grandes, parece ser um fenómeno mais geral que ocorre sempre que energia suficiente é concentrada para criar uma alta densidade de partículas. Os resultados mostram que a transição de sistemas de colisão pequenos para grandes é contínua, sem saltos ou quebras súbitas no comportamento das partículas. Isto fornece um teste robusto para modelos teóricos e aprofunda a compreensão de como a matéria se comporta sob as condições mais extremas do universo. As descobertas sugerem que as regras que governam a criação destas partículas exóticas são consistentes através de diferentes escalas, oferecendo uma imagem mais clara das forças fundamentais em jogo nos primeiros momentos do universo.