As colisões entre íons pesados em aceleradores de partículas permitem estudar fenômenos que não podem ser reproduzidos em laboratórios convencionais.

Em especial, as colisões ultraperiféricas de chumbo em altas energias oferecem um ambiente controlado para investigar a excitação e fragmentação de núcleos pesados por forças eletromagnéticas, em processos conhecidos como dissociação eletromagnética, analisados em detalhe pelo experimento ALICE no Grande Colisor de Hádrons (LHC).

O que é a dissociação eletromagnética em colisões de íons pesados

A dissociação eletromagnética de íons pesados ocorre quando dois núcleos, como os de chumbo-208, passam muito próximos sem colidir de forma central.

Nessa configuração ultraperiférica, o campo eletromagnético de um núcleo atua sobre o outro como um feixe intenso de fótons, capaz de excitá-lo e induzir a emissão de nêutrons, prótons ou fragmentos pesados.

No LHC, esses eventos representam uma fração relevante das interações Pb–Pb em altas energias.

A emissão de nêutrons e prótons em “ângulo zero” é registrada pelos Zero Degree Calorimeters (ZDCs), permitindo medir seções de choque associadas à emissão de zero, um ou vários prótons, quase sempre acompanhados de ao menos um nêutron.

Por que a emissão de prótons em dissociação eletromagnética de Pb-208 é relevante

A emissão de prótons em dissociação eletromagnética de Pb-208 revela como o núcleo responde a excitações de alta energia.

Ao registrar eventos com 0p, 1p, 2p ou 3p e pelo menos um nêutron, é possível associar cada canal a isótopos residuais específicos, como chumbo, tálio, mercúrio ou ouro.

Esses dados são comparados a modelos como o RELDIS, usados para descrever a dissociação eletromagnética em altas energias.

Concordâncias reforçam o modelo, enquanto discrepâncias em canais de 1p e 2p indicam a necessidade de rever estágios como cascata intranuclear, evaporação de nucleons e formação de estados intermediários.

Como o experimento ALICE mede prótons e nêutrons em ângulos muito avançados

No ALICE, prótons e nêutrons a rapidez muito avançada são medidos por calorímetros dedicados instalados em ambos os lados do ponto de interação.

Nêutrons são identificados pela energia depositada e ausência de carga, enquanto prótons têm resposta distinta e sofrem deflexão pelos dipolos do LHC, alterando sua trajetória até os detectores.

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Quais são as implicações dos resultados para os modelos teóricos

As seções de choque para diferentes canais de emissão testam modelos de fragmentação nuclear induzida por fótons em energias relativísticas.

Ajustes em previsões de 1p e 2p podem melhorar parametrizações usadas em reações foto-nucleares em ampla faixa de energias e em códigos de transporte de radiação.

Esses resultados também auxiliam na compreensão da produção de isótopos pesados em ambientes de altas energias.

Modelos validados no LHC podem ser aplicados a simuladores voltados ao desenvolvimento de fontes de radioisótopos, por exemplo na produção de ouro radioativo a partir de mercúrio em aceleradores de elétrons.

Como os resultados impactam a operação do LHC e de outros coliders

Fragmentos nucleares e prótons produzidos em processos ultraperiféricos podem ser desviados do feixe principal e atingir componentes da máquina.

Isso gera hot spots de aquecimento e contribui para perdas de feixe, afetando a estabilidade operacional do LHC e de outros coliders de íons pesados.

Conhecer com precisão as seções de choque de dissociação eletromagnética de chumbo-208 permite planejar colimadores, dispositivos de proteção e estratégias de mitigação.

Assim, as medições do ALICE contribuem tanto para a física fundamental de núcleos pesados quanto para o desenho seguro e eficiente de futuras máquinas de alta intensidade.