Nos primeiros momentos do Universo, as temperaturas atingiram triliões de graus, criando uma mistura extremamente quente de quarks e glúons. Essas partículas elementares se movem quase à velocidade da luz em um estado da matéria chamado plasma de quark-glúon (QGP). Este material primordial existiu por apenas alguns milionésimos de segundo antes de esfriar rapidamente, permitindo que quarks e glúons se combinassem em prótons, nêutrons e outras partículas encontradas hoje em todo o universo.
No Grande Colisor de Hádrons do CERN, na Suíça, os físicos estão reconstruindo o plasma de quark-glúon para investigar os ingredientes que preenchiam o jovem universo. Ao colidir íons pesados quase à velocidade da luz, os pesquisadores podem separar brevemente quarks e glúons e produzir pequenas quantidades do mesmo tipo de matéria que existiu durante os primeiros microssegundos do universo.
Quarks acordam em plasma primordial
A equipa do CERN, liderada por físicos do MIT, encontrou agora evidências claras de que os quarks produzem ondas à medida que viajam através deste plasma, tal como um pato produz ondas quando se move através da água. As observações fornecem a primeira evidência direta de que o plasma de quark-gluon reage a partículas em movimento rápido como um fluido unificado, gerando ondas, salpicos e movimentos giratórios, em vez de se comportar como uma coleção de partículas que se espalham livremente.
“Há um longo debate na nossa área sobre se o plasma deveria reagir com os quarks”, diz Yen-Ji Lee, professor de física no MIT. “Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, de tal forma que é capaz de desacelerar os quarks e espirrar e girar como um líquido. Portanto, o plasma de quark-gluon é realmente uma sopa primordial.”
Li e seus colegas desenvolveram um novo método para detectar essas ondas de quarks. Eles planejam usar a técnica em dados adicionais de colisão de partículas para descobrir mais exemplos e estudá-los com mais detalhes.
Ao medir o quão grandes as ondas se tornam, quão rápido elas viajam, quão longe elas se espalham e quanto tempo levam para desaparecer, os cientistas poderão ser capazes de determinar propriedades importantes do plasma de quark-glúon. Essas medições também podem fornecer pistas sobre como o plasma se comportou durante os primeiros microssegundos após o início do universo.
“Estudar como as ceras de quark saltam para frente e para trás nos dará novas informações sobre as propriedades do plasma de quark-glúon”, diz Li. “Com esta experiência, estamos a tirar uma fotografia desta sopa de quark primordial.”
Os co-autores do estudo são membros da CMS Collaboration, um grupo mundial de físicos de partículas que conduzem e analisam experimentos usando o Compact Muon Solenoid (CMS), um dos detectores de partículas de uso geral do Large Hadron Collider do CERN. Os pesquisadores usaram o experimento CMS neste estudo para identificar sinais de despertares de quarks. Surgem descobertas de acesso aberto artigo de física b.
o primeiro líquido do universo
Acredita-se que o plasma quark-glúon foi o primeiro fluido do universo. Foi também o líquido mais quente alguma vez conhecido, atingindo temperaturas de vários biliões de graus Celsius durante a sua breve existência.
Os cientistas também descreveram o QGP como um líquido quase “perfeito”. Neste estado incomum, quarks e glúons individuais parecem se mover juntos como um fluido excepcionalmente suave, quase sem atrito.
Essa compreensão vem de muitos experimentos e estudos teóricos. Um modelo influente foi desenvolvido por Krishna Rajagopal, o William A.M. Burden Professor de Física no MIT e seus colegas. Conhecido como modelo híbrido, ele prevê que um plasma de quark-glúon deveria reagir como um fluido quando partículas energéticas viajam através dele.
De acordo com o modelo, um jato de quarks em movimento rápido deveria perturbar o plasma circundante e deixar um rastro, fazendo com que o material ondulasse e se espalhasse.
Os físicos passaram anos procurando evidências dessas ondas no Grande Colisor de Hádrons e em outros aceleradores de partículas de alta energia. Nessas experiências, íons pesados como o chumbo são acelerados quase à velocidade da luz e colididos. As colisões criam brevemente pequenas gotículas de matéria primordial que normalmente duram menos de um quarto de segundo.
Os investigadores devem capturar eficazmente um instantâneo desse momento fugaz e usar o padrão de partículas resultante para reconstruir as propriedades do plasma de quark-glúon.
Por que foi difícil ver o quark acordar?
Pesquisas anteriores de ceras de quarks concentraram-se frequentemente em pares compostos de quarks e “antiquarks”. Antiquarks são contrapartes de quarks que possuem a mesma magnitude, mas sinais opostos para algumas de suas propriedades.
Quando um quark se move rapidamente através do plasma, um antiquark pode ser produzido viajando na mesma velocidade na direção oposta. Assim, os cientistas procuraram pares de quarks e antiquarks, esperando que ambas as partículas produzissem ondas detectáveis no plasma circundante.
Essa abordagem criou um grande problema.
“Quando você produz dois quarks, o problema é que, quando os dois quarks vão em direções opostas, um quark domina o efeito do outro quark”, diz Lee.
Lee e os seus colegas perceberam que a esteira produzida por um único quark seria muito mais fácil de detectar se não existissem outros quarks que criassem perturbações sobrepostas.
“Descobrimos uma nova técnica que nos permite ver o efeito de um quark num QGP através de um par diferente de partículas”, diz Lee.
Usando o bóson Z como wake tag
Em vez de procurar pares de quarks e antiquarks após a colisão do íon chumbo, os pesquisadores procuraram eventos em que um quark viajasse através do plasma aproximadamente na direção oposta ao “bóson Z”.
O bóson AZ é uma partícula elementar neutra associada à força fraca. Ele interage muito pouco com o plasma circundante, tornando-o útil como ponto de referência limpo. Os bósons Z também aparecem com uma energia específica, tornando-os relativamente fáceis de serem identificados pelos físicos.
“Nesta sopa de plasma quark-glúon, muitos quarks e glúons passam e colidem uns com os outros”, explica Li. “Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões cria um bóson Z e um quark em alta velocidade.”
Quando tal colisão ocorre, o quark e o bóson Z deveriam se afastar um do outro em direções opostas. O quark pode perturbar o plasma e gerar uma esteira, enquanto o bóson Z deveria passar sem afetar significativamente o material ao seu redor.
Isto significa que quaisquer ondas vistas no plasma em direção ao quark podem ser atribuídas ao próprio quark.
Trabalhando com o grupo do professor Yi Chen na Universidade Vanderbilt, os investigadores perceberam que poderiam usar o bóson Z como uma “etiqueta” para detectar e medir a esteira criada por quarks individuais.
Despertar encontrado em meio a bilhões de conflitos
A equipe analisou dados de colisões de íons pesados no Large Hadron Collider. Entre 13 mil milhões de colisões, identificaram cerca de 2.000 eventos em que o bóson Z foi produzido.
Para cada um destes eventos, os investigadores mapearam como a energia era distribuída no plasma de quark-glúon de curta duração. Eles encontraram repetidamente padrões de respingos semelhantes a fluidos e movimentos giratórios na direção oposta ao bóson Z.
Como o próprio bóson Z quase não interage com o plasma, os pesquisadores podem atribuir esses padrões de esteira diretamente aos quarks individuais que viajam através do material.
As ondas observadas também correspondem às previsões do modelo híbrido de Rajagopal. Os resultados mostram que o plasma de quark-gluon realmente reage coletivamente como um líquido quando partículas energéticas passam através dele.
“Isso é algo que muitos de nós argumentamos que deveria existir há muitos anos, e muitos experimentos procuraram isso”, diz Rajagopal, que não esteve diretamente envolvido no novo estudo.
“Temos a primeira evidência direta de que os quarks realmente arrastam mais plasma consigo à medida que viajam”, diz Lee. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento deste fluido exótico com detalhes sem precedentes.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.
