Estudo dos efeitos de saturação de glúons na produção de fótons diretos nas colisões próton-próton no Large Hadron Collider

Abstract

O Large Hadron Collider (LHC) tornou possível colisões nucleares na escala de energia da ordem de teraeletronvolts (TeVs) pela primeira vez e os dados do primeiro run em modo de íons pesados (colisões PbPb com energia de 2.76 teraeletronvolts) mostraram diferenças qualitativas deste novo regime comparado com experimentos de energia inferior, como no RHIC-BNL. Baseando-se nisso, este trabalho insere-se em um projeto que trata de situações em aberto da dinâmica da Cromodinâmica Quântica (QCD) nos novos regimes a serem acessados nas colisões próton-núcleo no LHC usando como ponto de partida o processo próton-próton. Calcular processos em alvos de prótons é uma predição de controle em QCD, antes de adentrarmos aos ambientes mais incertos das predições considerando alvos nucleares (próton-núcleo e núcleo-núcleo). Neste trabalho, enfoca-se o processo de produção de fótons diretos. Esse processo já foi estudado nos modelos de Color Glass Condensate, onde se demonstrou que os efeitos de saturação são dramáticos principalmente onde o momento transverso total do fóton e do jato é da mesma ordem da escala de saturação. Fótons diretos (prompt photons) são também importantes porque a sua razão de produção nuclear, R , em colisões próton-núcleo na região cinemática de rapidez frontal pode ser usada como uma boa aproximação da distribuição nuclear do glúon, Rg(x,Q). Os chamados fótons diretos são aqueles produzidos na interação entre pártons e que não são produto de decaimentos de partículas, como mésons, por exemplo. Em particular, o objetivo é testar a validade da fatorização colinear usual na descrição dos processos de colisão no regime de altas energias e os vínculos dos dados recentes na produção de fótons diretos medidos no RHIC e LHC na determinação da distribuição de glúons no próton. Estudos recentes mostram que as abordagens de saturação de glúons descrevem de maneira simples e intuitiva as distribuições de rapidez e momento transverso destes fótons. O objetivo final é comparar os resultados teóricos nas abordagens fenomenológicas investigadas com os dados recentes extraídos no LHC sobre este observável. Para isso, revisamos a física pertinente ao processo de produção de fótons diretos, como as noções de seção de choque do subprocesso párton + párton ! fóton, sobre a determinação das distribuições partônicas no próton e noções sobre as abordagens fenomenológicas que incluem saturação de glúons como o modelo de dipolos de cor. Após isso, fazendo uso de códigos de linguagem de programação de alto desempenho, realizou-se um estudo e a reprodução das seções de choque/distribuições em rapidez e momento transverso dos fótons para a produção de fótons diretos usando o estado da arte dos modelos de produção utilizando a fatorização QCD colinear e as abordagens de saturação de glúons, como o modelo de dipolos de cor. Utilizamos neste estudo as energias e os cortes cinemáticos dos aceleradores onde o processo já foi medido (RHIC, Tevatron e LHC). Após os cálculos computacionais comparou-se os resultados obtidos com os códigos com os dados experimentais disponíveis para a produção de fótons diretos nas colisões próton-próton na energia de 200 GeV (RHIC, USA), de 1.96 TeV (TEVATRON, USA) e na energia de 7 TeV (experimentos CMS e ATLAS, CERN/LHC), gerando o aprendizado de como discriminar abordagens teóricas a luz dos vínculos experimentais.