A experiência COMPASS do CERN
 


ESTÁGIO para estudantes na experiência COMPASS do CERN:

Difusão inelástica profunda de muões polarizados num alvo polarizado
Estudo da   polarização do gluão no nucleão



Introdução

Quando se faz colidir uma partícula a alta energia com um bloco de material (o alvo experimental), estamos na realidade em presença de uma interacção entre a partícula incidente (p. ex., um protão) e uma partícula do alvo (um nucleão, i.e., protão ou neutrão).
Podemos ter colisões do tipo:
a + b --> c + d    designadas exclusivas,  ou
a + b --> c + X    chamadas inclusivas  (X = quaisquer outras partículas).

Ora, à medida que a energia da partícula incidente é maior, o seu comprimento de onda associado diminui, pelo que vai sondar regiões de dimensões cada vez menores do nucleão-alvo. Foi assim que se descobriu que o nucleão é extenso (e não pontual) e que possui uma estrutura interna, ou seja, que é composto por subsistemas.
Estas experiências ficaram conhecidas como de difusão inelástica profunda, pois a sonda "quebra" o nucleão, interactuando directamente com os seus constituintes.

O modelo dos quarks-partões

Do ponto de vista fenomenológico, o modelo de quarks já concebia o nucleão como formado por 3 quarks. Mais tarde, o modelo dos partões passou a tratar o nucleão como um número indefinido de subpartículas pontuais. Da conciliação destes dois modelos de certo modo antagónicos nasceu o modelo dos quarks-partões que passava a introduzir uma hierarquia entre os partões:  3 partões principais (os quarks de valência ), que determinavam o essencial das propriedades do nucleão  (carga, spin, massa, ...) e um conjunto indefinido de quarks de mar, em pares q-qbar.
Entretanto, a Teoria Quântica de Campo necessitava de um propagador que mediasse as interacções fortes, i.e., entre os quarks, à imagem do fotão da Electrodinâmica Quântica (QED), que é o mensageiro das interacções entre as cargas eléctricas. Daí a introdução do gluão que, no quadro do modelo dos quarks-partões, passou a fazer a conexão entre os quarks de valência e os pares q-qbar do mar. Na realidade, tal como em QED o fotão pode criar pares e+e-, que por sua vez podem radiar fotões, também um quark de valência, de grande energia (i.e., possuindo uma grande fracção do momento do nucleão onde se encontra), pode radiar um gluão que, por sua vez pode ser reabsorvido, ou criar um par q-qbar  (ou seja, de mar do nucleão), em geral de muito baixa energia.
Assim, as interacções hadrónicas passaram a ser concebidas como interacções entre partões constituintes dos hadrões.
Na verdade, cada partão possui uma densidade de probabilidade (PDF -- parton distribution function) de transportar uma certa fracção x do momento do nucleão-pai, q(x), com x:  0 --> 1, que pode ser medida experimentalmente.
Assim, para os quarks leves de valência, u e d, constituintes básicos do nucleão, obtemos PDFs u_v(x) e d_v(x) "picadas" a x ~ 0.25. No caso de pertencerem ao mar, extraem-se PDFs u_m(x) e d_m(x) "picadas" a muito baixo x (-->0). Também para o gluão se pode medir experimentalmente uma densidade de probabilidade g(x).

A experiência COMPASS

As medições de densidades de probabilidade de quarks ou gluões, q(x) e g(x), foram feitas com feixes e alvos não polarizados. Ou seja, as orientações dos spins dos partões intervenientes eram estatisticamente nulas, isto é, havia tantos eventos devidos, por exemplo no caso de spin longitudinal dos quarks, a configurações de spin paralelas como a anti-paralelas. Actualmente, o objectivo é fazer colidir feixes de partículas polarizadas com alvos polarizados, em diferentes configurações de spin, assim se obtendo uma assimetria dos estados finais, que permite extrair, por exemplo, a polarização do gluão no nucleão, Delta_g(x).

Por outro lado, tendo o nucleão extensão e estrutura interna (assim como todos os hadrões -- mesões: q-qbar e bariões: qqq), da combinação das diferentes variedades (ou sabores) dos seus constituintes, e dos diferentes estados de momento angular total, obtemos uma profusão de estados (ou partículas), que constituem a espectroscopia hadrónica.
Neste quadro, há partículas que ainda não foram descobertas, e que são importantes para completar os multipletos previstos pelo modelo de quarks, como sejam os bariões com dois quarks pesados e um leve: ccu, ccd.

Para saber mais:

Breve enquadramento da experiência COMPASS do CERN

Contactos:

Professores Paula Bordalo e Sérgio Ramos
do Departamento de Física do IST.
Investigadores científicos no LIP-Lisboa e no CERN, em Genebra.

E-mails:   bordalo@lip.pt   sramos@lip.pt>