Publicado por gdiniz em qua, 09/09/2026 - 17:33
Em dois estudos, pesquisadores do HEPIC investigam como distribuições de multiplicidade podem ajudar a entender a produção de quarks pesados e até revelar efeitos da organização interna do núcleo de oxigênio
Imagem de capa: Sala de Controle do experimento ALICE (arquivo pessoal de Yuri do Nascimento Lima).
“De forma bastante direta, multiplicidade de partículas é contagem de partículas, basicamente é isso.” A definição do físico Yuri Lima resume uma das grandezas mais fundamentais das colisões de altas energias: registrar quantas partículas de determinado tipo são produzidas em cada evento e, depois de muitas colisões, determinar com que frequência aparecem eventos com uma, duas, três ou muitas partículas. A ideia é simples, mas a forma assumida por essa distribuição de multiplicidade pode carregar informações importantes sobre os mecanismos responsáveis pela produção das partículas.
Pós-doutorando no Instituto de Física da USP e pesquisador do HEPIC, Yuri chegou a essa área de pesquisa por um caminho não tão direto. Natural de Manaus, ingressou primeiro em Engenharia Civil, mas uma mudança para Tefé, no interior do Amazonas, interrompeu esse percurso. Começou então o curso de Física pela Universidade do Estado do Amazonas (UEA), inicialmente pensando em aproveitar as disciplinas caso voltasse à Engenharia. “Mas acabei gostando muito de Física. Várias coisas que a gente estuda durante a graduação realmente têm algum encanto”, conta. O interesse pela Física de Partículas surgiu ainda nesse período e o levou, depois da graduação, à Universidade Federal de Pelotas (UFPel), onde concluiu o mestrado em 2020 e o doutorado em 2024.
Sua formação na pós-graduação foi predominantemente teórica, mas, ao longo do doutorado, Yuri foi se aproximando cada vez mais dos resultados experimentais. Foi justamente a possibilidade de avançar nessa direção que o trouxe ao HEPIC para o pós-doutorado, sob supervisão do Prof. Marcelo Munhoz. Hoje, além de desenvolver estudos fenomenológicos sobre produção de partículas, Yuri integra a colaboração ALICE, um dos quatro grandes experimentos do LHC. “Foi natural procurar uma vaga que me desse esse acesso mais direto ao experimento, a uma Física de Partículas experimental”, explica.
É nesse encontro entre teoria e experimento que se situam dois de seus trabalhos mais recentes. O primeiro, publicado em julho na Physical Review D (https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/2zhw-qhz4), investiga a multiplicidade associada ao quark charm em colisões entre prótons. O segundo, ainda em desenvolvimento e disponibilizado como preprint no arXiv (https://arxiv.org/abs/2602.11452), estuda partículas carregadas produzidas em colisões entre prótons e núcleos de oxigênio.
Yuri do Nascimento Lima, pós-doutorando do HEPIC e autor principal dos dois estudos, em sua sala no Instituto de Física da USP
Os dois trabalhos são resultados da pesquisa e esforços continuados no campo da fenomenologia, área que conecta descrições teóricas a grandezas que podem ser medidas nos experimentos. Em vez de analisar diretamente os dados registrados pelos detectores do LHC, os pesquisadores usam modelos e simulações para calcular distribuições de partículas e produzir previsões que podem posteriormente ser confrontadas com as medições experimentais.
Uma referência para a produção de charm
Publicado por Yuri em colaboração com Cristiane Jahnke, Marcelo Munhoz e Fernando Navarra, o primeiro estudo investiga a produção do quark charm, um dos seis tipos, ou “sabores”, de quarks conhecidos. Por ser relativamente pesado, sua produção requer interações de alta energia entre os constituintes dos prótons — quarks e glúons, chamados coletivamente de pártons — e ocorre em quantidade muito menor do que a produção das partículas carregadas mais abundantes em uma colisão. Mais raros ainda são os eventos em que vários pares charm-anticharm são produzidos na mesma colisão.
É justamente aí que entra a distribuição de multiplicidade: ela permite investigar com que frequência uma colisão produz diferentes quantidades de charm e, com isso, obter informações sobre os mecanismos responsáveis por sua produção. O problema é que, quanto mais rara a produção, maior o número de colisões que precisa ser registrado para reconstruir essa distribuição com precisão. Apesar do grande volume de medidas de charm já disponível no LHC, sua multiplicidade completa evento a evento continua, por isso, difícil de determinar experimentalmente. Com o aumento da estatística e futuros detectores, porém, esse tipo de medida pode se tornar acessível.
Para investigar o que futuros experimentos podem encontrar, os pesquisadores geraram 20 milhões de colisões próton-próton com o PYTHIA 8, um dos geradores de eventos mais utilizados na Física de Altas Energias. O programa simula diferentes etapas da colisão, desde as interações entre pártons até a formação das partículas que poderiam chegar aos detectores. No estudo, foram analisadas várias energias de colisão e diferentes regiões de pseudorapidez — variável usada para descrever a direção em que as partículas são produzidas em relação ao feixe que percorre o acelerador.
Yuri chama atenção, porém, para uma distinção fundamental. O PYTHIA “é um modelo dentre outros modelos” e, embora incorpore teoria e uma grande quantidade de informação fenomenológica, “não necessariamente é a resposta final”. Sua função nesse caso é oferecer uma baseline: uma referência contra a qual futuras medições possam ser comparadas.
Na comparação com as partículas carregadas mais abundantes, a distribuição associada ao charm é muito mais estreita: à medida que cresce o número de partículas produzidas no mesmo evento, a probabilidade cai rapidamente. O resultado está ligado à própria raridade da produção de charm. Além disso, as distribuições simuladas ficam, em grande medida, próximas de uma distribuição de Poisson, comportamento esperado quando diferentes ocorrências são aproximadamente independentes umas das outras.
Os autores também investigaram o que acontece com essa distribuição depois da hadronização, etapa em que quarks e glúons se transformam em partículas compostas que podem ser observadas experimentalmente. Para isso, compararam a multiplicidade dos quarks charm antes desse processo com a dos mésons D, partículas que contêm um quark charm e aparecem no estado final da colisão. As duas distribuições ficaram muito parecidas, indicando que a hadronização altera pouco a forma da multiplicidade de charm. Esse resultado dá suporte, nesse caso, à chamada dualidade quark-hádron, segundo a qual certas propriedades observadas no nível dos quarks podem se preservar nas partículas formadas posteriormente.
Comparação entre a multiplicidade de mésons D (em azul) e de partículas carregadas (em laranja) em colisões próton-próton a 13 TeV, para diferentes pseudorapidez. A distribuição mais estreita dos mésons D reflete a menor frequência de eventos com produção múltipla de charm. Adaptado de Lima et al., Phys. Rev. D (2026a), CC BY 4.0.
Um terceiro teste envolveu o escalamento KNO, hipótese segundo a qual distribuições de multiplicidade obtidas em diferentes energias podem, depois de devidamente reescaladas, assumir uma forma universal. Para o charm, essa universalidade não se mantém rigorosamente. O comportamento se aproxima mais do “escalamento” em regiões estreitas de pseudorapidez, mas as diferenças aumentam quando uma parcela maior da colisão é considerada. Em particular, quando entram em cena múltiplas interações entre pártons dentro do mesmo evento.
Mais do que fornecer uma descrição definitiva da produção de charm, portanto, o trabalho estabelece previsões que poderão ser testadas. Os próprios autores destacam que medir diretamente toda a distribuição evento a evento ainda é difícil na atual fase do LHC. Uma futura geração de detectores, como o ALICE 3, poderá tornar essa comparação muito mais precisa.
Quando um próton encontra um núcleo de oxigênio
O segundo trabalho segue a mesma ideia — estudar distribuições de multiplicidade — para um sistema bastante diferente. Em 1º de julho de 2025, o LHC realizou pela primeira vez colisões próton-oxigênio, durante o Run 3 do equipamento. A novidade abriu uma oportunidade para investigar a produção de partículas em um sistema intermediário entre as colisões próton-próton e aquelas envolvendo núcleos muito mais pesados, como o chumbo, tradicionalmente usado nos estudos de íons pesados no acelerador.
O interesse por esses sistemas está relacionado, entre outros temas, ao plasma de quarks e glúons (QGP), estado de matéria de altíssima temperatura e densidade estudado nas colisões de núcleos pesados. Enquanto colisões de chumbo produzem condições nas quais a formação desse meio está bem estabelecida, sistemas menores ajudam a investigar como fenômenos coletivos evoluem à medida que se reduz o tamanho do sistema.
Mas o trabalho de Yuri, Lucas Silva, André Giannini e Marcelo Munhoz faz uma pergunta mais específica: será que a maneira como os prótons e nêutrons estão organizados dentro do oxigênio deixa uma marca detectável na multiplicidade de partículas produzidas depois da colisão?
O oxigênio-16 possui oito prótons e oito nêutrons. Uma descrição usual trata sua distribuição como relativamente suave e contínua, por meio do modelo de Woods-Saxon. Outra possibilidade é considerar uma estrutura em clusters alfa: quatro grupos, cada um com dois prótons e dois nêutrons, organizados aproximadamente nos vértices de um tetraedro. O estudo simula as colisões com essas duas configurações e compara suas consequências para as partículas produzidas no estado final.
Representações das distribuições Woods-Saxon e em clusters alfa para o núcleo de oxigênio-16. Adaptado de Prasad et al., Physics Letters B 860 (2025) 139145, CC BY.
A multiplicidade é particularmente interessante para esse teste justamente porque não seria, a princípio, o observável mais sensível a detalhes da geometria nuclear. Como explica Yuri, trata-se de um observável relativamente simples e do qual se poderia esperar pouca sensibilidade a mudanças na configuração inicial:
A multiplicidade é um observável relativamente simples e espera-se que seja pouco sensível a modificações no esquema da colisão. O que a gente mostrou é que a organização do núcleo de oxigênio é sentida. Ainda que muito pouco, é sentida mesmo nesse observável.
Os cálculos confirmam essa percepção. As distribuições obtidas com Woods-Saxon e com clusters alfa são diferentes ao longo do espectro, mas a separação cresce principalmente nos eventos de alta multiplicidade, isto é, na cauda da distribuição. Esses eventos raros tendem a envolver configurações iniciais mais extremas, com maior participação de núcleons e maiores flutuações de densidade, o que aumenta sua sensibilidade à geometria do núcleo. No modelo clusterizado, os núcleons estão concentrados em regiões de maior densidade local; no Woods-Saxon, aparecem distribuídos de maneira mais contínua.
Distribuição de multiplicidade de partículas carregadas em colisões p-O a 13 TeV, comparando os modelos de clusters alfa e Woods-Saxon em diferentes regiões de pseudorapidez. A diferença entre as duas descrições aumenta nos eventos de maior multiplicidade. Adaptado de Lima et al. (2026b).
Essa é uma das conclusões centrais do preprint: mesmo um observável global como a multiplicidade pode ajudar a distinguir diferentes modelos para a estrutura do núcleo de oxigênio, especialmente quando se observam os eventos que produzem muitas partículas.
Modelos diferentes, previsões diferentes
O trabalho p–O introduz ainda uma segunda comparação. Além do PYTHIA — usando sua extensão Angantyr para colisões envolvendo núcleos —, os pesquisadores calculam a multiplicidade por meio da chamada fatorização kT, abordagem teórica que incorpora de maneira explícita a dinâmica do momento transversal dos pártons e efeitos importantes no regime de altas energias.
As duas descrições não dão exatamente a mesma resposta. As diferenças aparecem tanto em baixas multiplicidades quanto na cauda das distribuições e se tornam particularmente visíveis quando se considera uma região maior em pseudorapidez. Isso não constitui um problema a ser eliminado, mas uma oportunidade experimental. Modelos diferentes incorporam ingredientes físicos diferentes e, por isso, produzem previsões distintas. Quando as medições de p–O forem suficientemente precisas, os dados poderão indicar quais aspectos de cada descrição capturam melhor a dinâmica real da colisão.
É justamente essa relação entre teoria, fenomenologia e experimento que atravessa os dois estudos. No caso do charm, o grupo oferece uma referência para uma medida que ainda é experimentalmente desafiadora. No oxigênio, testa quanto da configuração inicial do núcleo pode sobreviver até um observável do estado final. Nos dois casos, a lógica é a mesma: começar por algo aparentemente elementar — contar partículas — e perguntar quanta física permanece escondida dentro dessa contagem.
O trabalho com p–O já foi apresentado por Yuri em duas grandes conferências internacionais em 2026: a 14ª LHCP (Large Hadron Collider Physics Conference), em Paris, e a 43ª ICHEP (International Conference on High Energy Physics), em Natal. Segundo ele, a recepção foi marcada principalmente pelo interesse na possível clusterização do núcleo de oxigênio. Em Natal, em especial, houve “muitas perguntas” após a apresentação, e outros pesquisadores o procuraram para discutir perspectivas e qual o caminho a seguir. “Hoje ainda estou recebendo e-mails das pessoas”, conta Yuri. O estudo continua em desenvolvimento e deverá avançar à medida que os novos dados das colisões com oxigênio forem analisados.
Referências
LIMA, Yuri N.; JAHNKE, Cristiane; MUNHOZ, Marcelo G.; NAVARRA, Fernando S. “Charm multiplicity distribution in high energy pp collisions with PYTHIA.” Physical Review D, v. 114, n. 1, 014058, 2026. DOI: 10.1103/2zhw-qhz4.
LIMA, Yuri N.; SILVA, Lucas J. F.; GIANNINI, André V.; MUNHOZ, Marcelo G. “A study of charged-particle multiplicity distribution in high energy p-O collisions.” arXiv, arXiv:2602.11452 [hep-ph], 2026.
