Usando o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Large Hadron Collider do CERN, os cientistas descobriram que a “sopa” primordial quente de trilhões de graus que encheu o universo um milionésimo de segundo após o Big Bang na verdade se comportou como um líquido, como uma sopa viva.
Esta sopa primordial era composta por partículas de plasma chamadas quarks e glúons, que rapidamente resfriaram e esses dois tipos de partículas se combinaram para formar partículas fundamentais como prótons e nêutrons, que estão no coração de todos os átomos que nos rodeiam hoje. Hoje, os quarks e os glúons estão presos nas partículas que contêm, com uma exceção. Ao esmagar átomos pesados de chumbo viajando a velocidades próximas à da luz Grande Colisor de Hádrons (LHC), os cientistas podem liberar brevemente glúons e quarks dessas ligações nucleares, criando um ambiente de alta energia que regenera o plasma quark-glúon. O universo primitivo.
“Tem havido um longo debate na nossa área sobre se um plasma deveria responder a um quark”, disse o membro da equipa Yen-Jie Lee, professor de física no MIT. disse em um comunicado. “Agora descobrimos que o plasma é tão incrivelmente denso que pode desacelerar um quark e espirrar e girar como um líquido. “Portanto, o plasma de quark-glúon é na verdade uma sopa primordial.”
Para observar as esteiras criadas no plasma de quark-glúon por partículas em viagem, Lee e colegas usaram o detector Compact Muon Solenoid (CMS) do LHC, permitindo-lhes medir o tamanho, velocidade e tamanho dessas esteiras, e quanto tempo demoram. Esta informação será importante para compreender melhor as propriedades do plasma de quark-glúon e como ele se comportou nos primeiros microssegundos do universo.
“Explorar como a esteira do quark oscila pode nos dar novos insights sobre as propriedades do plasma de quark-glúon”, disse Lee. “Com esta experiência, estamos a tirar uma fotografia desta sopa de quark primordial.”
Deixe esta sopa ferver um pouco
O plasma de quark-gluon não é o primeiro líquido do universo, mas com uma temperatura de vários trilhões de graus, é o líquido mais quente de todos os tempos. A sopa primordial é considerada um líquido perfeito, o que significa que o seu conteúdo de quark e glúon fluíam juntos como um líquido suave e sem atrito.
Embora existam muitos modelos de plasmas de quark-glúon, uma teoria chamada “modelo híbrido” sugere que esta sopa primordial se comporta como qualquer outro fluido quando as partículas passam através dela em alta velocidade. No modelo híbrido, um jato de quarks movendo-se através de um plasma de quark-glúon deveria criar uma esteira quando esse oceano de plasma ondulasse e espirrasse.
Existem muitos experimentos no LHC e em outros aceleradores de partículas que tentaram ver esse efeito em ação. Essas experiências só são possíveis graças à aglomeração de átomos fortemente carregados, ou iões pesados, à velocidade da luz, que podem criar mais de quarenta milhões de gotas de sopa primordial por segundo. Os cientistas continuam a tentar tirar fotos desta sopa primordial para compreender as propriedades do plasma de quark-glúon.
Numa tentativa de encontrar consciência num plasma de quark-glúon, os cientistas procuram pares de quarks e os seus homólogos de antimatéria, conhecidos como anti-quarks. À medida que um quark corre através do plasma, deve haver um antiquark viajando exatamente na mesma velocidade, mas na direção oposta. Ambas as partículas deveriam, de acordo com o modelo híbrido, produzir uma esteira detectável. Parece simples, mas há uma mosca nesta sopa.
“Quando dois quarks são gerados, o problema é que quando os dois quarks estão indo em direções opostas, um quark está mascarando o rastro do segundo quark”, explicou Lee. A equipe percebeu que se não houvesse um segundo quark escondendo o quark, seria mais fácil detectar seu rastro.
“Descobrimos uma nova técnica que nos permite observar os efeitos de um único quark num plasma de quark-glúon através de diferentes pares de partículas”, acrescentou Lee.
Bóson Crotons
Em vez de caçar pares de quarks, Lee e colegas procuraram quarks viajando em uníssono com uma partícula elementar neutra chamada bóson Z, que tem pouco efeito no seu entorno. A vantagem dos bósons z é que eles possuem uma energia específica, o que os torna relativamente fáceis de detectar.
“Nesta sopa de plasma de quarks e glúons, muitos quarks e glúons passam e colidem uns com os outros”, disse Lee. “Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões cria um bóson Z e um quark com alta velocidade.”
Nessas situações, o quark e o bóson Z devem colidir e saltar em direções opostas, o quark acorda, mas o bóson Z não sai de um devido ao seu impacto no plasma de quark-glúon circundante. Isto significa que qualquer ondulação observada nesta situação é causada por apenas um quark.
Depois de observar 13 mil milhões de colisões no LHC, Lee e a equipa identificaram cerca de 2.000 eventos onde um bóson Z foi produzido. Durante estes eventos, os cientistas continuaram a observar o padrão fluido dos bósons Z viajando na direção oposta à detectada. Este, eles determinaram, era o tão procurado efeito de esteira de quarks. Na verdade, os padrões observados são consistentes com as previsões de ondulação feitas pelo modelo híbrido do plasma quark-glúon.
“Temos a primeira evidência direta de que os quarks na verdade arrastam mais plasma consigo à medida que viajam”, concluiu Lee. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento deste líquido exótico com detalhes sem precedentes.”
O estudo do painel foi publicado Na revista Física Letras B.
