Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Para compreender o núcleo de um átomo, os cientistas têm dependido há muito tempo de duas formas muito diferentes de observar o mundo. Uma abordagem utiliza experimentos de baixa energia, onde feixes de partículas sondam suavemente a superfície de um núcleo, revelando sua forma e tamanho médios. A outra utiliza colisões de alta energia, colidindo átomos a velocidades próximas à da luz para criar uma breve e ardente bola de fogo de partículas subatômicas. Por décadas, esses dois mundos permaneceram amplamente separados. As colisões de alta energia eram vistas primordialmente como uma forma de estudar as forças fundamentais que mantêm a matéria unida, enquanto os métodos de baixa energia eram o padrão para mapear a estrutura de átomos individuais. No entanto, uma nova perspectiva surgiu: a própria colisão violenta pode atuar como uma câmera, tirando uma instantâneo do arranjo interno do núcleo antes que ele seja destruído. Isso é possível porque a colisão acontece tão rapidamente que as posições dos prótons e nêutrons dentro do núcleo ficam efetivamente congeladas em seus lugares durante o impacto. Ao analisar os detritos que voam após o choque, os físicos podem trabalhar de trás para frente para reconstruir o arranjo dessas partículas, efetivamente imaginando o núcleo de uma forma que era anteriormente impossível.

Uma equipe de pesquisadores no CERN deu agora um passo significativo além deste conceito, utilizando dados do Grande Colisor de Hádrons para criar uma imagem detalhada do estado fundamental do núcleo de xenônio-129. Em um estudo publicado recentemente, eles combinaram um modelo do núcleo como um objeto giratório e deformado com simulações computacionais complexas da colisão resultante. O objetivo era ir além de simplesmente adivinhar a forma do núcleo e, em vez disso, extrair medições precisas e quantitativas de como seus prótons e nêutrons estão correlacionados entre si. Ao analisar os padrões de partículas produzidas em colisões entre átomos de xenônio, e compará-los com colisões entre átomos de chumbo, a equipe foi capaz de determinar que o núcleo de xenônio-129 não é uma esfera perfeita, nem um oval simples. Em vez disso, ele possui uma assimetria complexa de três lados, uma forma que se alinha com as previsões teóricas para este isótopo específico. Esta conquista marca uma mudança da observação qualitativa para a medição quantitativa, permitindo que os cientistas usem colisores de partículas como instrumentos de precisão para mapear a geometria interna de núcleos atômicos.

O processo baseia-se nas condições únicas criadas quando dois íons pesados colidem a velocidades ultra-relativísticas. Quando um núcleo de xenônio colide com outro, a interação ocorre em menos de um yoctosegundo, uma escala de tempo tão curta que os prótons e nêutrons dentro dele não podem se mover ou se rearranjar durante o impacto. Eles estão congelados na configuração que mantinham imediatamente antes do choque. Esta configuração congelada é então projetada no plano da colisão, criando um padrão geométrico específico. Este padrão dita como a bola de fogo resultante de matéria quente, conhecida como plasma de quarks-glúons, se expande e resfria. Se o núcleo for redondo, a bola de fogo se expande uniformemente. Se o núcleo for alongado ou achatado, a bola de fogo se expande mais em algumas direções do que em outras. Ao medir o fluxo final de partículas que emergem desta bola de fogo, especificamente como elas se movem em relação umas às outras, os físicos podem inferir a forma do núcleo original.

Os pesquisadores focaram no isótopo xenônio-129, que é conhecido por ser deformado, o que significa que não é uma esfera perfeita. Eles utilizaram um método estatístico chamado inferência Bayesiana para analisar um conjunto massivo de dados de colisões. Este método permitiu testar milhões de formas e orientações possíveis contra os dados experimentais para ver quais delas correspondiam ao fluxo de partículas observado. Eles descobriram que os dados apoiam fortemente um modelo onde o núcleo de xenônio é triaxial, o que significa que possui três eixos desiguais, assemelhando-se a uma forma irregular levemente achatada, em vez de uma simples bola de rúgbi ou uma panqueca. O estudo determinou que a deformação é quase máxima, com um ângulo de assimetria específico de aproximadamente 40 graus. Este resultado é significativo porque coincide com cálculos independentes feitos por outros métodos teóricos, confirmando que a abordagem de colisão de alta energia pode extrair de forma confiável detalhes estruturais que eram anteriormente acessíveis apenas através de experimentos de baixa energia.

Além de simplesmente confirmar a forma, o estudo forneceu as primeiras medições experimentais de correlações específicas entre os prótons e nêutrons dentro do núcleo. Em um sistema quântico, a posição de uma partícula está frequentemente ligada à posição de outra, um fenômeno conhecido como correlação. Os pesquisadores foram capazes de quantificar esses elos tanto para pares de partículas quanto para grupos de três. Eles descobriram que o arranjo dessas partículas cria uma assinatura distinta nos detritos da colisão. Por exemplo, mediram como o tamanho global do núcleo se relaciona com sua forma, encontrando uma relação específica que é verdadeira para este isótopo. Estas medições servem como novos marcos para teóricos que tentam construir modelos fundamentais do núcleo a partir do zero. Ao fornecer números concretos para essas correlações, o estudo oferece uma nova maneira de testar e refinar as teorias que descrevem como a força nuclear forte une a matéria.

As implicações deste trabalho estendem-se para além da estrutura de um único átomo. A capacidade de extrair uma estrutura nuclear detalhada a partir de colisões de alta energia abre uma nova via para o estudo das propriedades fundamentais da matéria. Os pesquisadores observaram que suas descobertas poderiam ajudar a melhorar os cálculos para o decaimento duplo-beta sem neutrinos, um processo raro que, se observado, provaria que os neutrinos são suas próprias antipartículas. Compreender o arranjo preciso dos nucleons no núcleo pai é crucial para prever a taxa deste decaimento. Além disso, as técnicas desenvolvidas aqui poderiam ser aplicadas a outros isótopos, potencialmente revelando novos detalhes sobre a força nuclear e o comportamento da matéria sob condições extremas. O estudo também abordou o núcleo de chumbo-208, encontrando evidências de um tipo diferente de deformação que havia sido sugerido por outros experimentos, validando ainda mais a sensibilidade do método.

Esta pesquisa demonstra que o Grande Colisor de Hádrons, frequentemente associado à busca por novas partículas e pelas origens do universo, também pode servir como um poderoso microscópio para o núcleo atômico. Ao tratar a colisão como uma sonda súbita que congela a configuração nuclear, os cientistas transformaram um evento destrutivo em uma fonte de informações estruturais precisas. O sucesso da equipe em mapear o núcleo de xenônio-129 sugere que esta abordagem pode ser usada para explorar os estados fundamentais de muitos outros isótopos, fornecendo uma riqueza de novos dados para físicos nucleares. As descobertas confirmam que a dinâmica complexa de muitos corpos de prótons e nêutrons deixa uma impressão clara e mensurável nos detritos de colisões de alta energia, preenchendo a lacuna entre o mundo da alta energia da física de partículas e o mundo da baixa energia da estrutura nuclear.