O plasma de quarks e glúons é uma previsão da cromodinâmica quântica e experimentos em aceleradores de alta energia têm encontrado evidências experimentais de sua criação em colisões de íons pesados relativísticos. Uma dessas evidências foi proposta por Matsui e Satz [1] que prevê a supressão de estados de heavy quarkonium na existência deste plasma. Este projeto tem como objetivo obter a seção de choque da produção de no experimento STAR em colisões p+p e d+Au com energia no centro de massa de 200GeV e calcular o fator de modificação nuclear Rab. Para tal, foi necessário reconstruir os através de seu decaimento leptônico. Os subdetectores do STAR utilizados foram o TPC e BEMC. Os valores encontrados para seção de choque foram de 3i=1 (nS)e-e+(nS)p+p= 84 ±9(stat)+18-19(sist)pb e 3i=1 (nS)e-e+(nS)d + Au = 41 ± 4(stat) +7-8(sist)nb para as produções pp2009 e dAu2008, respectivamente. Os valores se encontram compatíveis com os teóricos calculados pelo modelo de evaporação de cor. O Rab experimental vale 1.24 ± 0.18(stat)+0.35 0.38(sist). / The quark and gluon plasma is a prediction of QCD, and high energy experiments have studied evidences of its creation in relativistic heavy ion collisions. One of these evidences was proposed by Matsui and Satz [1] that provides a experimental signature of the creation of the plasma, observing an anomalous supression on the heavy quarkonium production. This project aims to get production cross section in the STAR experiment in collisions p+p and d+Au with energy in the center of mass of 200GeV and calculate the nuclear modification factor Rab. To this end, it was necessary to reconstruct the from his leptonic decay. The subsystems used in this analysis were the TPC, BEMC and the heavy quarkonia trigger system. The values for the cross sections were 3i=1 (nS)e-e+(nS)p+p= 84 ±9(stat)+18-19(sist)pb and 3i=1 (nS)e-e+(nS)d + Au = 41 ± 4(stat) +7-8(sist)nb for pp2009 and dAu2008 productions, respectively. These values are compatible with the theoretical calculated by the color evaporation model. The determined value for the factor Rab was 1.24 ± 0.18(stat)+0.35 0.38(sist).

Orientador: Jun Takahashi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T10:25:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_RafaelDerradide_M.pdf: 5190148 bytes, checksum: 9951aed4d9ff0a2b1db393891c1ac465 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Reações nucleares envolvendo núcleos pesados em energia de colisão no limite relativístico são estudadas para conhecer as leis e características da matéria em condições extremas de energia e temperatura. Em uma colisão de núcleos pesados no regime relativístico, milhares de partículas são produzidas. Neste trabalho, estudamos a produção de partículas analisando os dados de colisões de íons pesados relativísticos, medidos pelo experimento STAR do acelerador RHIC, com uma abordagem estatístico-termodinâmica. Usando o formalismo grande-canônico, foram feitos estudos da dependência dos parâmetros termodinâmicos com o volume dos sistemas formados em colisões de íons de ouro ( 197 Au) nas energias de 62,4 e 200 GeV por par de núcleon e colisões de íons de cobre ( 63 Cu) na energia de 200 GeV por par de núcleon. Observou-se que o grau de equilíbrio do setor de estranheza é equivalente entre os sistemas criados em colisões centrais de íons de cobre e os criados em colisões periféricas de íons de ouro na energia de 200 GeV por par de núcleon. Também foi analisada a dependência dos parâmetros termodinâmicos com relação à rapidez das partículas produzidas na reação e os resultados mostraram um forte aumento dos potenciais químicos bariônico e de estranheza para as regiões longitudinais das distribuições de rapidez. Finalmente, foi verificada a dependência dos resultados obtidos em função da energia depositada na reação (ps N N), observando-se uma boa consistência com o comportamento geral de resultados de outros trabalhos encontrados na literatura / Abstract: Nuclear reactions in the relativistic regime are studied to understand the laws and characteristics of nature under extreme conditions of high energy density and temperature. In these collisions, a large number of particles is produced. In this work, we study the particle production mechanism using a statistical thermal approach analysing data measured by the STAR experiment at RHIC. Using a grand-canonical approach a study of the volume dependence of the thermodynamical parameters of the systems formed in gold-gold (197 Au ) collisions at 62.4 and 200 GeV per nucleon pair and copper-copper (63 Cu ) collisions at 200 GeV per nucleon pair was performed. This study showed that the equilibrium is indeed achieved and that, even in the strangeness sector, equilibrium is achieved in the case of most central gold-gold collisions. The dependence of the thermodyna-mical parameters on the particle rapidity was also analysed and the results showed an increase of the baryon and strange chemical potentials with rapidity. Finally, the dependence of the results on the energy deposited in the reaction was verified within a fairly good agreement with the general behaviour of results obtained in similar studies from literature / Mestrado / Física / Mestre em Física

Nesta tese estudamos o fluxo dirigido, a primeira componente na expansão de Fourier da distribuição azimutal das partículas emitidas. Diferente do fluxo elíptico, que é muito bem estudado e descrito na literatura, a física que gera este observável ainda não é muito conhecida. Mostramos que este observável é altamente sensível a condições iniciais, comparando vários resultados numéricos para diferentes condições iniciais, entre analíticas e numéricas. Propomos que o fluxo dirigido também é sensível à aceleração longitudinal e formulamos um modelo analítico baseado nesta hipótese. Este modelo sugere quais ingredientes são relevantes para o fluxo dirigido. Ele é confrontado com sucesso com cálculos numéricos, resultados experimentais e cálculos que não incluem a aceleração longitudinal. / In this thesis we study the directed flow, the first component in the Fourier\'s expansion of the azimuthal distribution of emitted particles. Unlike the elliptic flow, which is well studied and described in the literature, the physics that generates this observable is not yet well described. We show that this observable is highly sensible to the initial conditions, comparing several numeric results with different initial conditions, between analytic and numeric ones. We propose that the directed flow is also sensitive to the longitudinal acceleration and we formulate an analytic model based in this hypothesis. This model suggests which ingredients are relevant to the directed flow. It is confronted with success against numeric calculus, experimental results, and calculus that do not include the longitudinal acceleration.

Quarks charm são criados em estágios iniciais da colisão de íons pesados em processos de espalhamento duro. Portanto eles são sondas ideais para o Plasma de Quarks e Glúons (QGP), que é um estado da matéria em que os partons contidos em hadrons, em condições de alta temperatura (150 MeV) ou densidade (cerca de cinco vezes a densidade da matéria ordinária), passam para um estado livre de quarks e glúons. A fragmentação de quarks charm pode produzir mésons D. Jatos contendo um méson D como um de seus constituentes podem ser identificados como originados de uma fragmentação de quark pesado. Jatos contendo mésons D são valiosas ferramentas para caracterizar interações de quarks charm com o plasma. Jatos de charm podem fornecer informações para o estudo da perda de energia dependente da massa pela medida da modificação da produção de jatos de charm em colisões de núcleos de chumbo com respeito a colisões entre prótons em função do momento transversal dos jatos. Além disso, uma visão mais profunda pode ser obtida com a medida da distribuição da fração de momento, que é de particular interesse para investigar a possível influência do meio na fragmentação de quarks charm em jatos. Mésons D são reconstruídos através da análise de massa invariante de seu canal de decaimento hadrônico, rejeitando uma grande quantidade de fundo combinatório com seleções topológicas e explorando o tempo de vida relativamente longo de mésons D e as capacidades de identificação de partículas do detector ALICE. Jatos são reconstruídos com o algoritmo anti-kT usando candidatos a mésons D e partículas carregadas. A medida do espectro de momento transversal de jatos contendo mésons D em colisões de núcleos de chumbo a energias de sNN = 5.02 TeV será apresentada. Esses resultados levam a novas possibilidades de sondagem das propriedades do QGP quando comparados com medidas de referência. Por fim, os métodos desenvolvidos podem ser empregados no estudo das funções de fragmentação de quarks charm em colisões de íons pesados. / Charm quarks are created in the early stages of heavy-ion collisions in hard-scattering processes. Therefore, they are ideal probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is a state of matter where partons contained in hadrons, at high temperatures (150 MeV) or density (about five times the density of ordinary matter), change to a deconfined state of quarks and gluons. The fragmentation of charm quarks can produce D mesons. Jets containing a D meson as one of their constituents can be identified as originating from heavy-quark fragmentation. These jets are a valuable tool to characterize the charm interaction with the QGP. Charmed jets can provide information to the study the mass-dependent energy loss by the measurement of the modification of the charm-jet yield in Pb-Pb collisions with respect to pp collisions as a function of the jet transverse momentum. Moreover, a further insight can be obtained with the measurement of the momentum-fraction distribution, which is of particular interest to investigate the possible influence of the medium in the charm-jet fragmentation. D mesons are reconstructed through an invariant mass analysis of their hadronic decay channels, rejecting the large combinatorial background with topological selections exploiting the relatively large lifetime of D mesons and the particle identification capabilities of the ALICE detector. Jets are reconstructed with the anti-kT algorithm using D-meson candidates and charged tracks. The measurement of the transverse momentum spectrum of jets containing D mesons in Pb-Pb collisions at sNN = 5.02 TeV will be presented. These results lead to new possibilities of probing the QGP properties when compared to baseline measurements. Furthermore, the methods developed can be employed in the study of charm-quark fragmentation functions in heavy-ion collisions.

Foi calculado microscopicamente a seção de choque total de reação para os sistemas ANTPOT. 12 C + ANTPOT. 12 C, ANTPOT. 1-2 C+ ANTPOT. 40 Ca, ANTPOT. 12 C + ANTPOT. 90 Zr, ANTPOT. 12 C + ANTPOT. 208 Pb, ANTPOT. 40 Ca + ANTPOT. 40 Ca, ANTPOT. 40 Ca + ANTPOT. 208 Pb, ANTPOT. 90 Zr + ANTPOT. 90 Zr, ANTPOT. 90 Zr + ANTPOT. 208 Pb e ANTPOT. 208 Pb + ANTPOT. 208 Pb numa ampla faixa de energia. Foi usada a expressão WKB para a defasagem imaginária, na representação do parâmetro do impacto. A parte imaginária do potencial óptico foi construída, usando o primeiro termo da teoria de espalhamento múltiplo, incorporando na sua expressão o principio de Pauli. A inclusão da interação nuclear e coulombiana mostrou ser importante. Os resultados teóricos não se apresentam em bom acordo com os poucos dados experimentais existentes, a baixas energias. Este resultado foi atribuído a fraca absorção contida no potencial imaginário, que contém o processo de knock-out quase-livre como mecanismo dominante de reação. / The total reaction cross section of the systems 12C +12C, 12C + 40Ca, 12C + 90Zr, 12C + 208 Pb, 40Ca + 40Ca, 40Ca + 208Pb, 90Zr + 90Zr, 90 Zr + 208 Pb and 20B Pb + 208 Pb for a wide range of energies has been calculated microscopically. A WKB expression for the imaginary part of the optical potential has been constructed by using the first term of multiple scattering theory with the effect of Pauli blocking incorporated into it. The inclusion of the nuclear and Coulomb interactions is shown to be important. The theoretical results do not show very good agreement with the experimental data at lower energies. This is attributed to the weak absorption contained in the imaginary potential of the tpApB interaction, wich contained only quasi-free knock-out as the dominant reaction mechanism.

Neste trabalho foram realizadas, no Laboratório Pelletron do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, medidas de coincidência entre partículas com momentos relativos pequenos para os sistemas 160+10B e 160+ 12C nas energias de 62,5 e 64,0 MeV, respectivamente. Para isso, foi utilizado um hodoscópio composto de 14 telescópios do tipo E-E, capazes de medir a energia tanto de partículas pesadas (Z>2) como leves (Z2). A partir dessas medidas foram obtidos espectros de diferença dos módulos das velocidades (vdif) e funções correlação em momento relativo (prel) para vários pa res de partículas. A análise do espectro de vdif permite determinar a proporção relativa entre as duas seqüências de emissão possíveis para um dado par de partículas. A região da anticorrelação na função correlação permite obter informações sobre a escala temporal referente ao intervalo de tempo entre a emissão da primeira e da segunda partícula. Para o ajuste tanto do espectro de vdif como da função correlação foi utilizado um programa que simula a emissão sequencial de duas partículas a partir de um núcleo composto, no qual a fração das sequências de emissão e a escala temporal são parâmetros ajustáveis. Correlações envolvendo somente partículas leves forneceram resultados para as escalas temporais da ordem de 10-20 s a 10-19 s, compatíveis com evaporação sequencial de um núcleo composto. Correlações envolvendo partículas leves e pesadas forneceram escalas temporais da ordem de 10-20s compatíveis com a fissão de núcleos residuais após a emissão de uma partícula leve. / Particle-particle correlation measurements at small relative momenta for the 160+10B and 160+ 12C systems at Elab = 62.5 and 64 MeV, respectively, were performed at the University of São Paulo - Pelletron Laboratory. The experimental setup consisted of a hodoscope composed by fourteen triple telescopes which provide the energy for both light (Z 2 ) and heavy (Z>2) particles. Velocity difference (vdifl) spectra a nd correlation functions at small relative momenta were obtained for many particle pairs. The velocity difference spectrum provides information about the emission order for the particles. The anticorrelation region in the correlation function provides information about the time between the first and second emission. A simulation code that calculates sequencial emission from a compound nucleus and for which the emission order and time scale are parameters was used to fit both the vdiff spectrum and the correlation function. The time scales obtained for light particle correlations are between 10-20 and 10-19 s and they are in agreement with predictions for the evaporation of compound nuclei. Correlations between light and heavy particles give time scales of about 10 -20 which are compatible with fission of the residual nuclei after a light particle emission.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um simulador para as câmaras de expansão temporal / detectores de radiação de transição (TEC / TRD) do experimento PHENIX, instalado no Colisor de Íons Pesados Relativisticos (RHIC) do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) nos EUA. O programa do RHIC prevê a produção e caracterização de um estado da matéria conhecido como plasma de quarks e glúons (QGP), através de colisões entre prótons, dêuterons e íons pesados com energias de centro de massa sqrt(s_NN) entre 20 e 200 GeV. O PHENIX, um dos quatro experimentos instalados no acelerador, é especializado na medida de sinais eletrofracos provenientes das colisões e o TEC / TRD é o único subsistema do PHENIX capaz de identificar elétrons de forma eficiente para momentos acima de 5 GeV/c. Um simulador para reprodução da resposta do detector à passagem de partículas foi desenvolvido e comparado a dados de um detector proporcional monofilar construído no Laboratório de Instrumentação e Partículas da USP, e aos dados do próprio TEC / TRD. Os resultados mostram um acordo razoável entre medidas e simulações. O uso do simulador deverá permitir o estudo de novos métodos e melhoras na capacidade de identificação de elétrons do sistema. / The present work describes the development of a simulator for the Time Expansion Chambers / Transition Radiation Detectors (TEC / TRD) of the PHENIX experiment, installed at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) of Brookhaven National Laboratory (BNL). The main goal of the RHIC project is the production and study of a state of matter known as Quark Gluon Plasma (QGP), through collisions of protons, deuterons and heavy ions at center of mass energies sqrt(s_NN) ranging between 20 and 200 GeV. PHENIX, one of the four experiments of the accelerator, is dedicated to measuring electroweak signals arising from the collisions, and TEC / TRD is the only subsystem capable of identifying efficiently electrons with momenta above 5 GeV/c. A simulator to reproduce the detector response to the passage of particles was developed and compared to data from a single wire proporcional counter and from TEC / TRD itself. The results show reasonable agreement between measurements and simulations. The use of the simulator allows studies of new methods and possibly improvements in the electron identification capability of the system.

Orientador: Jun Takahashi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T10:21:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vasconcelos_GeraldoMagelaSeverino_M.pdf: 4363414 bytes, checksum: 50c5bd667b62ccab57088d6b77e1ec81 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: As colisões de íons pesados em energias relativísticas permitem estudar o comportamento da matéria nuclear em condições extremas de temperatura e alta densidade de energia. Nessas condições, espera-se uma transição de fase da matéria onde seria formado um estado de quarks e glúons livres, conhecido como Plasma de Quarks e Glúons (QGP). Com o objetivo de estudar a formação deste novo estado e suas características, o experimento STAR, situado no Laboratório Nacional de Brookhaven, Nova Iorque, mede vários canais observáveis das colisões de íons pesados. Uma das marcas da formação do QGP é o aumento da produção de estranheza. O objetivo deste trabalho foi estudar a produção dos bárions multi-estranhos X e W produzidos nas colisões de Cu+Cu com energia de 62,4 GeV=A no referencial do centro de massa (CM), medidos no experimento STAR. Foram obtidos os espectros de momento transverso dessas partículas e a partir deles foi extraída a abundância de produção por unidade de rapidez na região de rapidez central (dN=dy)y=0. A produção desses bárions foi comparada com os resultados de um outro sistema (Au+Au) na mesma energia para estudar a dependência da produção de estranheza em função do tamanho do sistema formado. Os resultados mostraram que a produção de estranheza cresce com o tamanho do sistema, e que este aumento é ligeiramente maior para o sistema de Cu+Cu do que Au+Au. Os resultados deste trabalho são inéditos e complementam um estudo sistemático da produção de estranheza. Também são importantes para a compreensão dos mecanismos de produção de estranheza em diferentes energias / Abstract: Relativistic heavy-ion collisions allow us to study the behavior of nuclear matter at extreme conditions of temperature and energy density. In these conditions, we expect a phase transition of matter where a free state of quarks and gluons would be formed, and that is known as Quark-Gluon Plasma (QGP). With the aim to study this new state of matter and its features, the STAR experiment was built at BNL (Brookhaven National Laboratory), New York. The STAR experiment measures many observables of heavy-ion collisions and in particular, the strangeness enhancement in QGP is of special interest. The aim of this work was the study of multi-strange baryon production, X and W , at collisions of Cu+Cu in the center of mass energy of 62.4 GeV=A measured at the STAR experiment. Transverse momentum spectra and integrated yields for X and W at mid-rapidity are presented in this work. We also compared Cu+Cu and Au+Au systems in order to study the dependence of strange particle production with the system size. The results showed that strangeness production enhances with the system size, and strange baryons yields in Cu+Cu are slightly larger than Au+Au for the same energy. The new results obtained here complement a systematic study of strangeness production in heavy ion collisions and are important to understand the strangeness particle production mechanism in different energies / Mestrado / Física Nuclear / Mestre em Física

Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital τ operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and τ. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital τ semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e τ. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.

Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital τ operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and τ. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital τ semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e τ. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.