Pesquisadores descobriram que a entropia permanece constante durante a transição de um estado caótico de quarks-glúons para partículas estáveis em colisões de prótons no Large Hadron Collider. Essa estabilidade inesperada serve como uma assinatura direta do princípio de unitaridade da mecânica quântica. A descoberta, baseada em modelos refinados e dados do LHC, desafia as intuições iniciais sobre o desordenamento do processo.
Colisões de prótons de alta energia no Large Hadron Collider (LHC) criam um estado breve e denso de quarks e glúons, semelhante a um mar fervente de partículas, antes de esfriar em hádrons detectáveis. Intuitivamente, essa mudança de uma fase inicial aparentemente caótica para uma posterior mais ordenada deveria alterar a entropia do sistema, uma medida de desordem. No entanto, dados de experimentos do LHC revelam que a entropia permanece inalterada ao longo do processo, desafiando as expectativas.
Prof. Krzysztof Kutak e Dr. Sandor Lokos do Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) em Cracow publicaram sua análise em Physical Review D. Eles refinaram modelos de dipolos, que representam glúons como pares quark-antiquark com cargas de cor, para descrever melhor a evolução do sistema de glúons. "Modelos de dipolos baseados no número médio de hádrons produzidos em uma colisão nos permitem estimar a entropia dos partons", explicou Prof. Kutak.
Dois anos antes, Kutak e Dr. Pawel Caputa da Stockholm University aprimoraram o modelo integrando efeitos relevantes em energias mais baixas e recorrendo à teoria da complexidade. Testado contra dados dos experimentos ALICE, ATLAS, CMS e LHCb em energias de 0,2 a 13 teraelétrons-volts, o modelo generalizado superou seus predecessores. "Mostramos que o modelo de dipolos generalizado descreve os dados existentes com mais precisão do que modelos de dipolos anteriores e funciona bem em uma gama mais ampla de energias de colisão de prótons", afirmou Prof. Kutak.
Essa constância alinha-se com a fórmula de Kharzeev-Levin e decorre da unitaridade da mecânica quântica, que preserva a probabilidade e permite processos reversíveis. "A unitaridade da mecânica quântica é algo que os estudantes de física aprendem... é uma coisa lidar com uma teoria que exibe uma certa característica no nível de quarks e glúons... e outra bem diferente observá-la em dados reais", observou Prof. Kutak.
Validações futuras virão da atualização do LHC que aprimora o detector ALICE para estudos de glúons mais densos e do Electron-Ion Collider em construção no Brookhaven National Laboratory, onde colisões elétron-próton sondarão sistemas de glúons de forma mais direta.