MIT e CERN encontram nova evidência de que o plasma quark-glúon do Big Bang se comporta como uma sopa

Dá para entender o Universo bebê pensando em cozinha: nos primeiros instantes, tudo era tão quente e denso que a matéria não formava átomos - virava uma espécie de “caldo” primordial. Agora, um experimento trouxe a primeira evidência de que esse material exótico realmente se comportava como uma sopa de verdade, com redemoinhos e ondulações.

Em termos mais técnicos, esse “caldo” é o plasma quark-glúon (QGP, na sigla em inglês). Foi o primeiro e mais quente líquido que já existiu. As previsões indicam que ele brilhou por alguns milionésimos de segundo a uma temperatura cerca de um bilhão de vezes maior que a da superfície do Sol, antes de se expandir, esfriar e, por fim, se organizar em átomos.

Como descreve um estudo recente, uma equipe de físicos do MIT e do CERN recriou colisões de íons pesados - semelhantes às que deram origem ao QGP - para investigar suas propriedades. Por exemplo: quando um quark atravessa esse plasma, ele “recuam” e provoca um respingo, como faria em um líquido coeso, ou se espalha de forma aleatória, como num conjunto de partículas soltas?

Para responder, os pesquisadores analisaram dados de colisões entre partículas de chumbo esmagadas quase à velocidade da luz dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN. Essas batidas geram jatos de partículas energéticas, como quarks, além de uma gota de QGP - o mesmo tipo de material que permeou o Universo recém-nascido.

Usando uma estratégia diferente, que ofereceu uma visão mais nítida das colisões de íons pesados do que em experimentos anteriores, os físicos acompanharam o movimento dos quarks através do QGP e mapearam a energia do plasma no que sobrou após os choques.

“Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, a ponto de conseguir desacelerar um quark, e produz respingos e redemoinhos como um líquido. Então o plasma quark-glúon realmente é uma sopa primordial”, diz o físico Yen-Jie Lee, do MIT.

Os quarks disparando pelo QGP transferem parte da própria energia para o plasma, perdem velocidade e deixam um rastro - como a esteira de um barco rápido.

“Por analogia, quando você tem um barco se movendo por um lago, a esteira é a água atrás do barco que passa a se mover na direção dele. O barco transferiu momento para uma região de água, que ‘segue’ seu caminho”, explicou por e-mail ao ScienceAlert o físico Krishna Rajagopal, do MIT, que desenvolveu um modelo prevendo as propriedades fluidas do QGP.

Mas, em vez de uma esteira “limpa”, como na água, os pesquisadores precisaram deduzir a existência desse rastro bagunçado nas minúsculas gotas de QGP.

Isso exige peneirar dezenas de milhares de partículas interagindo de forma caótica em um plasma de um trilhão de graus, que normalmente só existe no LHC por um quadrilionésimo de segundo, para encontrar as relativamente poucas partículas deslocadas pela esteira.

E não é simples. Quando quarks surgem nas colisões do LHC, eles nunca aparecem sozinhos, explicou Rajagopal ao ScienceAlert. Em geral, vêm acompanhados de antiquarks - partículas “espelho”, idênticas, mas com carga oposta. O quark e o antiquark voam em direções contrárias na mesma velocidade, cada um criando sua própria esteira e tornando a detecção ainda mais complicada.

Então, em vez de procurar pares quark–antiquark, como em experimentos anteriores, os físicos buscaram outro tipo de par. Às vezes, as colisões do LHC produzem um quark e um bóson Z, uma partícula elementar neutra que não gera esteira porque não interage com o QGP.

Só que esses eventos são raros. Entre 13 bilhões de colisões do LHC analisadas no estudo, apenas cerca de 2.000 produziram um bóson Z. Mas, justamente por o bóson Z não interagir com o QGP, os pesquisadores conseguiram finalmente observar o rastro causado por um único quark em alta velocidade. Como o modelo de Rajagopal previa, o QGP respondeu como um líquido, balançando e rodopiando atrás do quark.

Rajagopal disse ao ScienceAlert que isso é uma “evidência definitiva, inconfundível” do comportamento líquido do QGP, embora o debate antigo sobre se esse plasma flui e ondula como um fluido talvez ainda não esteja encerrado. Outros pesquisadores certamente vão examinar os resultados com lupa.

Ainda assim, essa nova técnica abre um caminho para estudar processos parecidos em outros tipos de colisões de alta energia, o que pode ajudar a esclarecer uma das substâncias mais misteriosas da história do Universo.

“Em muitas outras áreas da ciência, o jeito de aprender sobre as propriedades de um material é perturbá-lo de alguma forma e medir como essa perturbação se espalha e se dissipa”, disse Rajagopal.

E é parte do que torna a física divertida: se você não tem certeza de como algo funciona, basta esmagar a coisa quase à velocidade da luz.

Esta pesquisa foi publicada na revista Physics Letters B.