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

Logo após o estrondo do Big Bang, o Universo era um “caldo” de plasma inimaginavelmente denso, a trilhões de graus. Agora, um experimento marcante encontrou a primeira evidência de que essa substância primordial realmente se mexia e formava redemoinhos - como uma sopa.

Em termos mais técnicos, esse caldo recebe o nome de plasma quark-glúon, ou QGP. Trata-se do 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 do que a da superfície do Sol, antes de se expandir, arrefecer e, por fim, se aglutinar em átomos.

Conforme descreve um estudo recente, uma equipa de físicos do MIT e do CERN recriou colisões de íons pesados semelhantes às que deram origem ao QGP para investigar as suas características. Por exemplo: quando um quark atravessa esse plasma, ele recua e levanta “ondas” como num líquido coeso, ou a sua energia se dispersa ao acaso, como numa coleção de partículas?

O que é o plasma quark-glúon (QGP)

O QGP é uma fase exótica da matéria associada aos primeiros instantes do Universo. Ele é frequentemente descrito como um fluido extremo: densíssimo, curtíssimo e tão quente que a matéria, como conhecemos, não se sustenta na forma de átomos.

A questão em aberto há anos é se, nas condições recriadas em laboratório, esse plasma se comporta de facto como um líquido - com fluxo, ondulações, “respingos” e vórtices - ou se a dinâmica observada poderia ser explicada melhor por interações mais parecidas com um gás de partículas.

Como o LHC recriou as condições do Universo primordial

Para responder a isso, os investigadores analisaram dados de colisões entre partículas de chumbo esmagadas quase à velocidade da luz dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN. Esse tipo de choque gera jatos de partículas muito energéticas, como quarks, e também uma gota de QGP - semelhante à substância que permeou o Universo bebé.

Usando uma estratégia particular, que ofereceu uma visão mais nítida das colisões de íons pesados do que em experiências anteriores, os físicos seguiram as trajetórias dos quarks ao atravessarem o QGP e cartografaram como a energia ficou distribuída no plasma depois da colisão.

“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”, afirma o físico Yen-Jie Lee, do MIT.

Os quarks que cortam o QGP acabam a transferir parte da sua energia para o próprio plasma. Com isso, perdem velocidade e deixam um rastro - como a esteira de um barco em movimento.

“Por analogia, quando você tem um barco se movendo por um lago, a esteira é a água atrás do barco que está se movendo na direção do barco. O barco transferiu momento para alguma região de água, que está ‘seguindo’ o barco”, disse por e-mail ao ScienceAlert o físico do MIT Krishna Rajagopal, que desenvolveu um modelo que antecipava as propriedades fluidas do QGP.

Só que, em vez de uma esteira “limpa” como a da água, os cientistas precisaram deduzir a existência desse rastro em gotas de QGP muito mais caóticas.

A estratégia com o bóson Z para enxergar a esteira do quark

O desafio passa por peneirar dezenas de milhares de partículas em interações violentas dentro de um plasma a trilhões de graus, que tipicamente só existe no LHC por um quatrilionésimo de segundo, para então identificar o pequeno conjunto de partículas deslocadas pelo rastro.

Nada disso é simples. Rajagopal explicou ao ScienceAlert que, quando quarks são produzidos nas colisões do LHC, eles nunca aparecem isolados. Em geral, surgem junto com antiquarks, partículas “espelho” que são idênticas, mas com carga oposta. O quark e o antiquark disparam em direções contrárias com a mesma velocidade, cada um gerando a sua própria esteira - o que torna a deteção muito mais complicada.

Assim, em vez de procurar pares quark–antiquark, como em estudos anteriores, os físicos buscaram um tipo diferente de par. Em alguns eventos, as colisões no LHC produzem um quark e um bóson Z, uma partícula elementar neutra que não cria esteira por não interagir com o QGP.

Esses casos, porém, são pouco frequentes. Entre 13 mil milhões de colisões do LHC analisadas no estudo, apenas cerca de 2.000 produziram um bóson Z. Ainda assim, como o bóson Z não “sente” o QGP, os investigadores finalmente conseguiram examinar a esteira deixada por um único quark em alta velocidade. Como previa o modelo de Rajagopal, o QGP respondeu como um líquido, balançando e girando no rastro do quark.

Rajagopal disse ao ScienceAlert que isso é uma “evidência definitiva e inconfundível” do comportamento semelhante ao de um líquido no QGP, embora a discussão antiga sobre se o plasma quark-glúon flui e ondula como um fluido talvez ainda não esteja completamente encerrada. Outros investigadores certamente irão escrutinar os resultados.

O que a técnica pode revelar em outras colisões de alta energia

Mesmo assim, o método abre um caminho para estudar processos parecidos em outros tipos de colisões de alta energia, com potencial para esclarecer uma das substâncias mais misteriosas da história do Universo.

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

E é aí que parte da diversão da física aparece: se você não tem certeza de como algo funciona, basta esmagar quase à velocidade da luz.

Esta investigação foi publicada na revista Physics Letters B.