Uma colaboração internacional, promovida no âmbito de um dos principais experimentos do CERN (Conselho Europeu de Pesquisa Nuclear, na sigla em francês), realizou a primeira medição da fotoprodução do méson D⁰ em colisões ultraperiféricas de íons pesados. Partícula formada por um quark charm e um antiquark up, o méson D⁰ é instável e decai rapidamente em outras partículas, como káons e píons. Por conter um quark pesado, é usado em experimentos para investigar a estrutura interna da matéria e a dinâmica dos quarks.
A colaboração internacional foi feita no CMS (Compact Muon Solenoid), uma máquina do tamanho de um prédio de vários andares, construída para observar e medir o que acontece quando partículas colidem no Large Hadron Collider (LHC), o maior e mais poderoso acelerador de partículas já construído, que fica instalado em um túnel circular de cerca de 27 quilômetros de circunferência, localizado mais de 100 metros abaixo da superfície terrestre, na fronteira entre a Suíça e a França.
Publicado em 26 de março na Physical Review Letters, o estudo, intitulado “Measurement of D⁰ Meson Photoproduction in Ultraperipheral Heavy Ion Collisions”, abre uma nova frente para investigar a estrutura interna de núcleos atômicos pesados, como o chumbo, em regimes de energia e densidade ainda pouco explorados. O trabalho contou com a participação de pesquisadores brasileiros, entre eles, o físico Mapse Barroso Ferreira Filho, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ).
Em entrevista à Sociedade Brasileira de Física, Mapse destacou o caráter coletivo da pesquisa. “Em grandes colaborações como a do CMS, nós temos milhares de cientistas e engenheiros, todos trabalhando naquela máquina gigante que é o LHC”, afirma. Nesse tipo de empreendimento, ele acrescenta que cada etapa — da construção e da manutenção dos detectores até a análise dos dados — é essencial para o resultado final. “A minha contribuição durante a coleta de dados foi participar da coordenação com os detectores RPCs, além da manutenção. Cada contribuição que você dá e deixa registrado culmina no resultado do artigo”, diz, em referência aos dispositivos Resistive Plate Chambers usados para detectar a passagem de partículas carregadas, especialmente múons, por meio de sinais elétricos gerados em placas resistivas.
Como o nome informa, a colaboração internacional se concentrou nas chamadas colisões ultraperiféricas, um tipo especial de interação em que os núcleos de chumbo não colidem diretamente. Em vez disso, eles passam suficientemente próximos para que seus intensos campos eletromagnéticos entrem em ação. “A intensidade é bastante alta, gerando um campo eletromagnético muito intenso. Os fótons que vêm junto com o feixe acabam por interagir com o outro núcleo”, explica Mapse. Esses fótons funcionam como sondas extremamente sensíveis da estrutura nuclear. “É como se fosse uma sonda. Com essa interação, a gente consegue dar uma olhadinha no que tem lá dentro.”
É justamente no momento de “dar essa olhadinha” que entra em cena o méson D⁰. “O méson D⁰ é aquele que contém o quark C de menor massa. Trata-se de uma partícula que eu sempre analiso nos dados do CMS”, observa o pesquisador. Quando o fóton interage com o núcleo, pode ocorrer a produção desse méson, revelando aspectos da dinâmica interna da matéria. “Ao interagir, ele arranca esse quark e isso permite obter informação sobre a distribuição dos quarks dentro do núcleo.”
Para tornar o fenômeno mais compreensível, Mapse recorre a uma analogia.“É como se você quisesse descobrir o que tem dentro de uma pedra. Você joga essa pedra para quebrar e ver o que tem dentro.” No experimento, o papel desse “impacto” é desempenhado pelo fóton, que, ao interagir com o núcleo, pode fragmentá-lo, expondo seus constituintes fundamentais.
Precisão micrométrica
Detectar e reconstruir esses eventos é um desafio tecnológico considerável, lembra o professor da UERJ, acrescentando que o experimento CMS utiliza detectores de traços capazes de medir com alta acurácia as trajetórias de partículas carregadas. “A precisão de medida espacial é da ordem de 10 micrômetros. É como se você pegasse um fio de cabelo e medisse uma fração muito pequena da espessura dele”, coteja. Os detectores, prossegue Mapse, operam próximos ao feixe de partículas e precisam resistir a altos níveis de radiação ao longo de anos de funcionamento. Além disso, todo o sistema depende de eletrônica avançada para processar os sinais. “São milhares de chips e mais de 40 mil fibras ópticas, com sinais percorrendo cerca de 100 metros até serem processados.”
Ainda segundo Mapse, o aprimoramento dessa infraestrutura envolve colaboração direta com a indústria. “Esse sistema foi desenvolvido em conjunto com empresas do entorno do CERN, o que mostra que um experimento de física fundamental também gera impacto tecnológico no dia a dia”, afirma, destacando aplicações em áreas como a eletrônica de precisão e a transmissão de dados.
A análise dos dados baseia-se na chamada seção de choque, uma grandeza fundamental em física de partículas. “Se for simplificar, é como a probabilidade dessa colisão estar acontecendo”, explica o pesquisador. Ao medir essa probabilidade em função de variáveis como o momento transversal e a rapidez das partículas produzidas, os cientistas conseguem explorar diferentes regiões do detector e, consequentemente, diferentes aspectos da interação. “A ideia é testar modelos teóricos e ver se eles conseguem explicar o que está acontecendo em todas as regiões ou só em algumas.”
Os resultados obtidos foram comparados com previsões teóricas baseadas na Cromodinâmica Quântica (QCD), além de abordagens como o modelo de condensado de vidro de cor. Tal confronto, entre teoria e experimento, é central para o avanço do conhecimento. “Quando está de acordo, significa que o modelo está resistindo ao que a gente observa. Quando não está, a gente precisa refiná-lo”, explica Mapse. Ele ressalta que discrepâncias não significam necessariamente que a teoria esteja errada, mas que seu domínio de validade pode ser limitado. “A gravidade de Newton funciona muito bem em várias situações, mas, para buracos negros, você precisa da relatividade geral. É a mesma lógica.”
Um dos pontos mais importantes do estudo é seu caráter pioneiro. Trata-se da primeira medição desse tipo voltada a caracterizar as chamadas funções de distribuição de partons em núcleos de chumbo. Isto é, como quarks e glúons estão distribuídos no interior desses sistemas complexos. “A importância inédita está em você conseguir sondar essa estrutura com colisões de íons pesados e com o D⁰ envolvido”, destaca o pesquisador.
Além disso, diferentes abordagens experimentais podem se complementar. “Você pode sondar a estrutura do próton ou do núcleo de várias maneiras. Tendo métodos diferentes, você consegue comparar os resultados e ter mais confiança no que está encontrando”, afirma Mapse, que também atua em estudos envolvendo colisões próton-próton.
O trabalho abre caminho para novas investigações. Um dos desafios futuros é reduzir as incertezas das medições. “Se a incerteza é alta, significa que a gente pode melhorar. Reduzindo isso, você consegue fazer um teste mais rigoroso dos modelos”, explica. Outra frente importante é a combinação de diferentes resultados experimentais, o que permite uma visão mais abrangente da estrutura interna da matéria.
Para Mapse, a área continua repleta de perguntas em aberto. “É como se estivéssemos escavando uma caverna, tentando descobrir onde vai chegar”, diz. Ele destaca o caráter exploratório da física de partículas e o potencial de novas descobertas. “Tem muita coisa para ser feita ainda, então é um convite para quem é da física ir para cima dessa área. É bem empolgante”, conclui.
Por Leandro Haberli
