A Large Ion Collider Experiment Hadron ?· Os quarks estão presos nos prótons e nêutrons por uma…

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  • 1. Resumo O exerccio proposto consiste na busca de partculas estranhas, que so produzidas partir de colises entre partculas no acelerador LHC e medidas pelo experimento ALICE. Este exerccio se baseia em reconhecer o decaimento tpico dessas partculas, chamadas de V0, como por exemplo, K!! !!, p+ ! e + !( p+ !). A identificao dessas partculas estranhas baseada na sua topologia de desintegrao e na identificao dos produtos dessa desintegrao; as informaes da trajetria dessas partculas so usadas para calcular a massa invariante da partcula me e, assim, confirmar a identidade dessa partcula. Nas sees seguintes, o experimento ALICE e seus objetivos so brevemente apresentados, assim como a motivao desta anlise. A metodologia utilizada para a identificao das partculas estranhas e as ferramentas dessa metodologia sero apresentadas em detalhe; em seguida, o exerccio explicado passo a passo, assim como, a apresentao dos resultados. No final, a maneira de organizar os resultados apresentada. 2. Introduo

    ALICE (do ingls, A Large Ion Collider Experiment Um Grande Experimento de Colisor de ons), um dos grandes experimentos do CERN LHC (do ingls, Large Hadron Collider - Grande Colisor de Hdrons), destinado ao estudo de colises entre ons pesados. Ele tambm destinado para o estudo da coliso entre prtons, que fornecem dados utilizados como referncia para as colises ncleo-ncleo. Alm disso, os dados de colises entre prtons tambm so teis para os estudos especficos da fsica hadrnica de prtons. O detector ALICE foi concebido para lidar com a maior multiplicidade de partculas previstas em colises entre ons pesados nas energias extremas do LHC.

    3. A Fsica do ALICE

    Os quarks esto presos nos prtons e nutrons por uma fora chamada de interao forte, que so mediadas por trocas de partculas mediadoras chamadas glons. A interao forte tambm responsvel pela ligao entre prtons e nutrons em ncleos atmicos.

    Embora saibamos que quarks so partculas elementares que constituem todos os hdrons, nunca um quark isolado foi observado: os quarks, assim como os glons, parecem estar permanentemente juntos e confinados em partculas como prtons e nutrons. Esse fenmeno conhecido como confinamento. O mecanismo exato que causa esse fenmeno ainda permanece desconhecido.

    Ainda que a Fsica das interaes fortes seja bem compreendida hoje, duas questes continuam no resolvidas: a origem do confinamento e o mecanismo que geram as massas dos quarks ligados. A resposta para ambas questes est relacionada forma como a interao forte modifica as propriedades do vcuo.

    A teoria atual da interao forte (chamada Cronodinmica Quntica) prev que em temperaturas e densidades muito altas, quarks e glons se libertam das partculas que

  • eles compem. E com isso, eles podem existir livres em um novo estado de matria conhecido como o plasma de quarks e glons.

    Essa transio deve ocorrer quando a temperatura ultrapassa um valor crtico, estimado em torno de 100 000 vezes mais elevado que a temperatura do centro do Sol! Essas temperaturas s existiram na natureza no incio da formao do Universo. Segundo a teoria do Big Bang, a temperatura do Universo estava durante alguns milionsimos de segundo acima do valor crtico e a toda a matria do universo estava no estado de plasma de quarks e gluons.

    Quando dois ncleos pesados se aproximam a uma velocidade prxima da luz e colidem, essas condies extremas de temperatura podem ser recriadas e os quarks e glons so liberados. Os quarks e os glons interagem entre si criando um ambiente em equilbrio trmico: o plasma de quarks e glons. Esse plasma se expande e se resfria temperatura no qual quarks e glons se agrupam para formarem a matria comum (1012 graus) em, aproximadamente, 10-23 segundos aps o incio da coliso. O ALICE estuda a formao e as propriedades desse novo estado da matria.

    4. Aumento de produo da estranheza como indicao da formao do plasma de quarks e glons

    O diagnstico e o estudo das propriedades do plasma de quarks e glons (PQG) podem ser realizados com a ajuda de quarks que no esto presentes na matria que existe a nossa volta. Uma das assinaturas experimentais da existncia do PQG se apoia na ideia do aumento na produo de estranheza. Essa foi uma das primeiras propostas para se observar o plasma de quarks e glons, feita em 1980. Contrariamente aos quarks up e down, os quarks estranhos no so trazidos pelos ncleos que colidem. Portanto, todo quark ou anti-quark estranho observado na experincia criado partir das energias cinticas dos ncleos em coliso. Como a massa dos quarks estranhos da ordem de grandeza da temperatura na qual os prtons, nutrons e outros hdrons se dissolvem em quarks, a abundncia de quarks estranhos sensvel s condies, estrutura e dinmica da fase da matria no-confinada. Assim, uma produo elevada de quarks estranhos assinala que as condies de no-confinamento foram atingidas.

    Na prtica, o aumento da estranheza pode ser observado ao se contar o nmero de partculas estranhas, isto , as partculas que contm ao menos um quark estranho, e ao se calcular a razo entre partculas estranhas e partculas no-estranhas. Se essa relao superior quela dada pelos modelos tericos que no preveem a criao do PQG, o aumento observado.

    Para colises entre ons de chumbo, o nmero de partculas estranhas normalizado pelo nmero de nucleons que participam da coliso e comparado com essa mesma razo em colises entre prtons.

    5. Partculas estranhas

  • As partculas estranhas so hdrons contendo ao menos um quark estranho. Isto se caracteriza pelo nmero quntico estranheza. O mson estranho neutro mais leve o K!!(ds) e o brion estranho neutro mais leve o (uds), da famlia dos hyperons.

    Ns estudaremos a desintegrao dessas partculas, por exemplo, K!! !!, p+ !. Nessas desintegraes, o nmero quntico da estranheza no conservado, porque os produtos da decomposio so unicamente compostos de quarks up e down. Consequentemente, no se trata da desintegrao forte (que so muito rpidas, que ocorrem em um intervalo de tempo da ordem de 10-23 segundos) mas de desintegraes fracas, onde a estranheza pode ser conservada (S = 0) ou modificada em um unidade (S = 1). Para essas desintegraes, a vida mdia fica entre 10-8 e 10-10 segundos. Para as partculas com velocidades prximas a da luz, isso significa que a partcula se desintegra a uma distncia (em mdia) de alguns centmetros do ponto de produo (do ponto de interao entre os prtons).

    6. Como identificar as partculas estranhas

    O objetivo deste exerccio consiste na busca por partculas estranhas produzidas em colises entre prtons no LHC e registradas pelo experimento ALICE.

    Como mencionado na seo anterior, as partculas estranhas no sobrevivem muito tempo; elas se desintegram pouco aps sua produo. No entanto, elas sobrevivem o suficiente para viajar alguns centmetros de distncia do ponto de interao (PI), onde elas foram produzidas. Sua busca baseada na identificao de seus produtos de desintegrao, que devem provir de um vrtice secundrio comum.

    As partculas estranhas neutras, como os K!! e , se desintegram dando um padro caracterstico, chamado V0. A partcula me desaparece a alguns centmetros do ponto de interao e duas partculas de cargas opostas aparecem em seu lugar; sua trajetria curvada em direes opostas pelo campo magntico do solenide do ALICE.

    Na figura abaixo, os traos vermelhos indicam partculas de carga positiva; os traos verdes indicam partculas de carga negativa.

    As desintegraes que ns procuramos so:

    K!! !! p+ ! anti p+ !

    Ns vemos que para um estado final de dois pons, o padro de decaimento quase simtrico, enquanto para o estado final de um pon e um prton, o raio de curvatura do prton maior que o do pon: devido sua massa mais elevada, o prton transporta a maior parte do momento inicial.

  • Ns iremos buscar tambm as desintegraes em cascata de partculas estranhas carregadas, como as !; essa partcula se desintegra em ! e ; em seguida o se desintegra em !e prton; o pon inicial se chama solteiro representado em roxo na figura.

    ! ! p+ !

    A procura por V0s baseada na topologia da desintegrao e na identificao dos seus produtos; uma confirmao suplementar da identidade da partcula o clculo da sua massa; essa se faz utilizando as informaes (massa e momento) dos produtos do decaimento como descrito na seo seguinte

    7. Calculando a massa (invariante)

    Consideramos acima o decaimento de um kaon (K0) neutro em dois pons carregados, Ks0 +-

    Seja E, p e m a energia total, o momento (vetor!) e a massa da partcula me (K0);

    Seja E1, p1 e m1 a energia total, o momento e a massa da partcula filha de nmero 1 (+) e E2, p2 e m2 a energia total, o momento e a massa da partcula filha de nmero 2 (-).

    Conservao de energia E = E1 + E2 (1)

    Conservao de momento p = p1 + p2 (2)

    Da relatividade (assumindo c=1) E2 = p2 + m2 (3)

    Onde p = |p| o comprimento ou magnitude do vetor momento p. Isso tambm se aplica, naturalmente, para as partculas filhas:

    E!! = p!! +m!! (4)

    E!! = p!! +m!! (5)

    Aqui p1 = |p1| e p2 = |p2| so comprimentos de p1 e p2.

    Das equaes acima encontramos que:

    m2 = E2 p2 = (E1 + E2)2 (p1 + p2)2 = E!! + E!! + 2E1E2 p1.p2 p2.p2 2 p1.p2 (6)

  • Onde introduzimos o produto escalar p1.p2 de dois vetores p1 e p2, que a igual soma dos produtos das componentes x, y e z dos dois vetores:

    p1.p2 = p1x p2x + p1y p2y + p1z p1z (7)

    p1.p1 = p1x 2 + p1y 2 + p1z 2 (8)

    p2.p2 = p2x 2 + p2y 2 + p2z 2 (9)

    Portanto, da equao (6), temos:

    m2 = E!! + E!! + 2E1E2 p1 2 p2 2 2 p1.p2 = m1 2 + m2 2 + 2.E1 E2 - 2 p1.p2 (10)

    Assim, podemos calcular a massa da partcula inicial a partir da massa e

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