Pesquisadores da Universidade de Copenhague recriaram o estado primordial da matéria que se acredita ter povoado o universo logo após o Big Bang, usando colisões entre núcleos atômicos que antes eram considerados possíveis pelos cientistas. Estas versões microscópicas do universo primitivo podem ajudar os investigadores a compreender os primeiros momentos da história cósmica e algumas das questões mais profundas da física nuclear.
Como era o universo antes da existência de estrelas, planetas, átomos e outras formas familiares de matéria?
No CERN, na Suíça, os físicos estão a tentar responder a essa questão recriando algumas das condições extremas que existiram no Universo pouco depois do seu nascimento. Pesquisadores do Instituto Niels Bohr, trabalhando com cientistas na colaboração internacional ALICE, deram agora um passo importante em direção a esse objetivo.
recriando a matéria primordial do universo
No CERN, os núcleos atômicos podem ser acelerados quase à velocidade da luz e esmagados. Estas colisões podem criar pequenas gotículas de plasma de quark-glúon, o extraordinário estado da matéria que se acredita preencher o universo durante o primeiro milionésimo de segundo.
Os cientistas há muito pensam que a produção deste plasma exigia colisões entre núcleos muito pesados, como o chumbo. Novas experiências mostram que mesmo núcleos muito pequenos podem produzir matéria primordial. Os pesquisadores o criaram com sucesso através da colisão dos núcleos de oxigênio-16 e néon-20.
“Nós cruzamos o limite do quão pequeno um núcleo atômico pode ser – o que você poderia chamar de Pequeno Big Bang – enquanto recriamos esta matéria primitiva”, diz o professor associado Yu Zhou, que liderou o experimento e até recentemente trabalhou no Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague. Sabemos agora mais sobre as condições fundamentais necessárias para a transição da matéria para este estado extremo.
Ele diz:
“Esperamos que isto nos ajude a compreender melhor como o plasma se comportou durante os primeiros momentos do Universo – e como mais tarde evoluiu para a matéria que constitui tudo o que nos rodeia.”
Os resultados da investigação, preparados como parte da experiência internacional ALICE, foram recentemente publicados na prestigiada revista artigo de revisão física.
Um Little Big Bang com assinatura de pino de boliche
Quando os núcleos atómicos colidem a velocidades extremas, os seus componentes podem transformar-se numa gotícula extremamente pequena de plasma de quark-glúon. A gota sobrevive apenas por uma pequena fração de segundo antes de se desintegrar e se converter em outras partículas.
Os cientistas não podem observar o plasma diretamente. Em vez disso, eles medem as partículas que emergem imediatamente após emergirem e estudam como essas partículas se movem.
Os novos resultados mostram que estes padrões de movimento preservam informações sobre a forma original dos núcleos em colisão. As colisões entre dois núcleos de oxigênio produzem um padrão relativamente redondo, enquanto as colisões envolvendo néon produzem um padrão distinto em forma de pino de boliche.
“As partículas da matéria primordial são controladas diretamente pela forma geométrica do núcleo atômico. Se dois núcleos que esmagamos são esféricos, obtemos um padrão. Se eles têm a forma de um pino de boliche, obtemos outro. Estudando como as partículas se movem após uma colisão, podemos obter insights sobre os núcleos atômicos que de outra forma seriam difíceis de obter para os físicos, “disse o pesquisador de pós-doutorado Emil Gorm Dahlbeck de Niels. Nielsen explica. Instituto Bohr, coautor do estudo.
Ele elabora:
“É um pouco como iluminar um objeto e ver sua sombra. Você não pode ver o objeto diretamente, mas sua sombra revela sua forma. Da mesma forma, o movimento das partículas revela a forma geométrica do núcleo atômico que estava presente no início da colisão.”
Usando colisões extremas para investigar a estrutura atômica
Os físicos vêm tentando compreender a forma e as estruturas internas dos núcleos atômicos há mais de 70 anos. Esta questão está particularmente relacionada com o Instituto Niels Bohr. Como Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1975 por seu trabalho sobre a estrutura do núcleo atômico.
A forma do núcleo é mais importante que a geometria. Mostra como os protões e os neutrões se organizam e pode fornecer informações valiosas sobre a força forte – uma das quatro forças fundamentais da natureza, que os cientistas ainda estão a trabalhar para compreender plenamente.
Tradicionalmente, os físicos investigaram a estrutura atômica usando experimentos de energia relativamente baixa, incluindo medições de como os núcleos atômicos giram e vibram.
A nova abordagem muda essa estratégia. Em vez de sondar suavemente os núcleos, os investigadores colidem-nos com a energia mais elevada disponível e reconstroem a sua forma a partir dos padrões deixados para trás.
Yu Zhou diz: “Uma compreensão precisa da estrutura atômica nos ajuda a compreender a força forte. Mas em vez de examinar cuidadosamente os núcleos em energias mais baixas, nós os esmagamos nas energias mais altas e agora podemos ler suas formas a partir das impressões que deixam para trás.”
Os pesquisadores dizem que a tecnologia tem potencial para representar uma mudança de paradigma. Se puder ser desenvolvido ainda mais, poderá fornecer aos cientistas uma nova maneira de sondar núcleos atômicos cujas estruturas internas são mal compreendidas.
Quão pequeno pode ser um pequeno Big Bang?
Os cientistas ainda não sabem exatamente quão pequeno pode ser um sistema de colisão ao produzir um plasma de quark-glúon. Determinar esse limite é um dos próximos objetivos principais.
Assim, a equipe planeja realizar experimentos adicionais usando núcleos atômicos mais leves, incluindo hélio-4.
“O que é fascinante é que podemos usar a mesma experiência para aprender sobre a estrutura dos núcleos atómicos e para obter uma melhor compreensão do que aconteceu durante o nascimento do universo. Estas duas coisas estão muito mais intimamente ligadas do que pensávamos inicialmente”, concluiu Yu Zhou.
O que é plasma quark-glúon?
O plasma de quark-glúon é um estado de matéria extremamente quente e denso que existiu durante o primeiro milionésimo de segundo após o Big Bang. Durante esse período, as temperaturas eram tão extremas que os prótons e nêutrons ainda não haviam sido formados. Em vez disso, as partículas que os compõem – quarks e glúons – moviam-se livremente numa espécie de “sopa” quente.
À medida que o universo se expandia, sua temperatura caiu. Quarks e glúons eventualmente se uniram, criando, entre outras coisas, prótons e nêutrons. Essas partículas mais tarde tornaram-se componentes dos núcleos atômicos e, eventualmente, da matéria comum encontrada nas estrelas, nos planetas e em nós mesmos.
