Colisões de protões revelam pares de partículas do vácuo

Investigadores detetaram pares de partículas a surgir diretamente do vácuo durante colisões de protões de alta energia, obtendo até agora a evidência mais clara de que a massa pode nascer do espaço vazio.

A descoberta reformula a explicação para grande parte do peso da matéria comum, sugerindo que o próprio espaço é uma fonte ativa, e não apenas um cenário passivo.

No interior da colisão

No meio da explosão de detritos produzida pela colisão de protões, surgiram partículas lambda ligadas entre si, com um padrão de spin comum compatível com pares de quarks que se esperava serem formados no vácuo.

Ao seguir esse padrão através das consequências da colisão, Zhoudunming Tu, do Laboratório Nacional de Brookhaven, demonstrou que o alinhamento inicial se manteve nas partículas detetadas.

Esse alinhamento não desapareceu de imediato: prolongou-se até aos hiperiões de vida curta, antes de essas partículas decaírem e exporem a sua estrutura interna.

Esta persistência define um limite claro para o tempo durante o qual uma ordem nascida no vácuo pode sobreviver e levanta questões mais profundas sobre a forma como essa ordem se transforma em massa mensurável.

Spins que resistiram

Quando estavam próximas em termos angulares, as pares lambda e anti-lambda apresentaram uma polarização relativa de 18 percent, com uma significância de 4.4 desvios padrão.

Esse alinhamento é a assinatura prevista pela equipa se quarks estranhos e antiquarks surgissem do vácuo já orientados na mesma direção.

Outras combinações de partículas não revelaram o mesmo padrão, fazendo sobressair o sinal principal em vez de o deixarem confundir-se com o ruído habitual das colisões.

Este contraste reforçou a hipótese de que os pares de quarks ligados não eram resíduos aleatórios do impacto.

Porque foram importantes as lambdas

As partículas lambda ofereceram à equipa uma vantagem útil, pois os seus decaimentos conservam indícios do spin transportado pelo quark estranho no seu interior.

Quando cada lambda se desintegrou em menos de 0,1 nanossegundos, as partículas-filhas revelaram a direção do spin da partícula original.

Desta forma, os investigadores conseguiram reconstruir se as duas partículas iniciais estavam alinhadas, apesar de os quarks nunca surgirem isoladamente.

O método converteu uma breve cadeia de decaimentos num registo legível da origem provável das partículas.

Um vácuo com estrutura

A física moderna já não considera o vácuo como um vazio sem conteúdo, porque os campos de energia no seu interior oscilam continuamente e criam pares de partículas durante breves instantes.

Na cromodinâmica quântica (QCD), a teoria da força forte, os quarks estão tão fortemente ligados que não conseguem subsistir sozinhos quando estão livres.

Contudo, sob tensão suficiente, esses pares efémeros podem tornar-se componentes reais de partículas maiores após uma colisão de alta energia.

É por isso que este resultado tem importância para além de um único detetor: apresenta o vácuo como uma fonte ativa de matéria.

De onde vem a massa visível

O campo de Higgs continua a ser essencial, pois atribui às partículas elementares as suas massas de base, uma ideia confirmada pelo CERN em 2012 através do bosão de Higgs.

No entanto, os protões e neutrões pesam muito mais do que as reduzidas massas dos quarks individuais fariam prever.

Assim, a maior parte da massa visível parece resultar da energia da interação forte e das condições do vácuo que envolvem os quarks confinados.

Este novo sinal não resolve diretamente essa questão, mas dá aos físicos uma nova forma experimental de a investigar.

Quando a ordem se desfaz

A distância enfraqueceu o efeito, pois pares de partículas muito separados perderam o alinhamento comum observado nos pares próximos.

Os investigadores designam esta perda por descoerência, o desaparecimento da ordem quântica à medida que as interações desorganizam um sistema inicialmente ligado.

Em vez de se manterem estreitamente coordenados, os spins passaram a parecer normais quando a separação do par se tornou suficientemente grande no detetor.

Esta redução é importante porque indica que o sinal era real no momento da formação, e não algo criado mais tarde pela medição.

O que o sinal excluiu

Foi necessário testar explicações alternativas, uma vez que as colisões de partículas podem imitar padrões significativos quando muitos processos se sobrepõem.

A equipa comparou os dados com casos de referência e não encontrou uma correlação de spin equivalente em pares de kaões nem em simulações convencionais de eventos.

Também analisou outras fontes possíveis, incluindo a divisão de gluões e interações posteriores entre as partículas produzidas, considerando-as negligenciáveis.

Estas verificações não encerram o debate, mas reduzem o espaço para explicações mais simples.

Uma nova ferramenta experimental

O STAR foi concebido para acompanhar enormes chuveiros de detritos de colisões energéticas; o detetor tem o tamanho de uma casa e pesa cerca de 1.200 toneladas nas instalações de Brookhaven, em Nova Iorque.

O RHIC ocupa igualmente uma posição particular na física, por ter sido o único acelerador do mundo capaz de colidir feixes de protões polarizados para estudos de spin a alta energia.

Esta combinação permitiu à colaboração estudar não apenas as partículas produzidas, mas também a forma como a informação do seu spin interno se propagava através do confinamento.

O resultado abre uma via para testar de que modo a estrutura do vácuo, o spin e o aparecimento da massa se integram na mesma explicação.

Limitações e investigação futura

Nem todos consideram o caso encerrado, pois a reconstrução de colisões complexas ainda deixa margem para fundos ocultos e efeitos não detetados.

Tu resumiu claramente o potencial da descoberta ao afirmar que a medição abre uma nova forma de examinar diretamente o vácuo.

Futuras campanhas poderão testar momentos mais elevados, diferentes condições de colisão e ambientes mais quentes, nos quais o próprio vácuo poderá comportar-se de outra maneira.

Esses estudos posteriores poderão determinar se este mecanismo observado é um caso especial ou parte de uma regra mais abrangente.

O espaço vazio parece agora menos um cenário silencioso e mais um participante ativo na construção da massa e da estrutura da matéria visível.

Os físicos continuam sem conhecer o mecanismo completo, mas dispõem finalmente de um sinal que acompanha uma ordem nascida no vácuo até às partículas detetáveis.