Físicos recriaram o primeiro milissegundo após o Big Bang e observaram um plasma invulgar.

Num túnel subterrâneo junto à fronteira entre a França e a Suíça, colisões à escala do infinitamente pequeno tentam reconstruir um capítulo em falta na história do Universo.

No Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN, equipas de física de partículas conseguem, por instantes inimaginavelmente breves, recriar as condições que prevaleceram imediatamente após o Big Bang. Essas “mini explosões cósmicas” servem para sondar um tipo de matéria exótica que já não existe de forma estável no Universo actual.

Um pormenor decisivo é que o LHC não é apenas um acelerador: é também um conjunto de grandes detectores (como o CMS) construídos para registar, em tempo real, milhares de trajectórias e energias das partículas produzidas. É essa capacidade de medição - e não apenas a energia dos feixes - que permite transformar um choque caótico em dados úteis sobre a matéria primordial.

O que significa recriar a primeira fracção de segundo do cosmos

Para perceber como era a matéria no primeiro milésimo de segundo após o Big Bang, os investigadores recorrem a colisões de iões pesados, sobretudo de núcleos de chumbo acelerados a velocidades muito próximas da velocidade da luz.

Quando esses iões colidem, a energia por partícula entra na gama dos tera-electrão-volts (TeV). O efeito é uma temperatura tão extrema que protões e neutrões deixam de se manter “inteiros” e passam a existir como os seus constituintes fundamentais: quarks e glúons. Em vez de um conjunto de partículas bem separadas, forma-se um meio denso e colectivo chamado plasma de quarks e glúons.

Este estado da matéria dominou o Universo durante cerca de um milionésimo de segundo após o Big Bang. Hoje, surge apenas de forma artificial, em instalações como o LHC, e por um intervalo de tempo quase irrisório.

Em cada colisão, aparece uma gota de plasma de quarks e glúons com cerca de 10⁻¹⁴ metro de diâmetro - dez mil vezes menor do que um átomo - que se desfaz praticamente de imediato.

Apesar de minúsculo e efémero, o plasma deixa uma “impressão digital” no padrão de milhares de partículas que saem do ponto de colisão. Ao interpretar essa assinatura, os físicos inferem propriedades da matéria em regimes extremos de temperatura e densidade que não podem ser reproduzidos noutro contexto.

Plasma de quarks e glúons: um fluido quase perfeito no LHC

A análise de mais de uma década de dados de colisões de iões pesados revela um resultado contra-intuitivo: o plasma não se comporta como um gás diluído, mas como um fluido altamente organizado, com viscosidade extremamente baixa.

A viscosidade mede o quão “espesso” ou “resistente ao escoamento” é um fluido. A água tem viscosidade baixa; o mel, elevada. Surpreendentemente, o plasma de quarks e glúons aproxima-se mais do comportamento da água do que do mel, apesar de estar a temperaturas absurdamente elevadas.

Esta fluidez indica que quarks e glúons, mesmo estando “desconfinados”, interagem fortemente de modo colectivo. Em vez de entidades independentes, o que emerge é algo parecido com um “líquido quântico”, governado pela força forte, descrita pela cromodinâmica quântica (QCD).

O “truque” do bóson Z: um ponto de referência dentro do caos

Para quantificar como esse fluido exótico reage, é necessário um tipo de “régua” interna que sirva de referência ao que aconteceu na colisão. É aqui que entra o bóson Z.

O bóson Z é uma partícula elementar do Modelo Padrão, associada à interacção fraca. Ao contrário de quarks e glúons, não “sente” a força forte, o que o transforma num excelente marcador: atravessa o plasma praticamente sem ser afectado pelo meio.

Como o bóson Z permite medir o plasma

Na experiência do detector CMS, os investigadores seleccionam eventos em que aparecem, ao mesmo tempo:

• um bóson Z, que quase instantaneamente se desintegra em dois léptons (por exemplo, um par electrão–positrão, ou dois múões), e
• um quark com energia muito elevada, emitido aproximadamente na direcção oposta à do bóson Z.

Os léptons produzidos pelo bóson Z deixam sinais muito limpos no detector. Isso permite reconstruir com grande precisão a energia e a direcção originais do Z, que funcionam como referência robusta para a escala de energia do processo.

Enquanto o bóson Z sai praticamente intacto, o quark energético entra na gota de plasma de quarks e glúons e passa a interagir intensamente com esse meio. Progressivamente, perde energia, que se redistribui sob a forma de partículas mais lentas, observadas como um “chuveiro” de hádrons.

Ao comparar colisões chumbo–chumbo com colisões protão–protão, vê-se que os quarks que atravessam o plasma perdem mais energia e originam um padrão diferente de partículas em torno da sua trajectória.

É precisamente essa diferença que revela como o plasma absorve e volta a emitir a energia do quark.

Um rasto no plasma: sinal de um “sulco” hidrodinâmico

Os resultados mais recentes apontam para uma assinatura particularmente específica: um excesso de partículas de baixa energia em certas direcções à volta do trajecto do quark, com uma distribuição angular que não aparece quando não existe plasma denso.

O desenho desse padrão faz lembrar o que modelos hidrodinâmicos prevêem quando um objecto muito rápido atravessa um fluido: surge uma onda de perturbação - análoga ao rasto que um barco deixa à superfície da água.

O que os modelos hidrodinâmicos sugerem

Simulações em QCD e em hidrodinâmica relativística indicam que, quando um jacto de partículas energéticas cruza o plasma, deposita energia e momento no meio, criando uma região perturbada que se propaga e se alarga.

No caso observado pelo CMS:

• existe um excesso de partículas “suaves” (baixa energia) em torno da direcção do jacto;
• a emissão tem uma estrutura ampla, não confinada a um cone estreito;
• o padrão é compatível com um fluido de baixa viscosidade, no qual a perturbação se transmite de forma colectiva.

Os dados experimentais encaixam nesta imagem de um “sulco hidrodinâmico” no plasma. O meio não reage apenas localmente, ponto a ponto: responde como um fluido contínuo, reforçando o carácter colectivo da matéria criada.

A observação de um sulco hidrodinâmico constitui um teste directo de que o plasma de quarks e glúons se comporta como um fluido fortemente acoplado, e não como um gás de partículas independentes.

O que isto altera na compreensão da força forte

A força forte é o que mantém protões e neutrões ligados e, por extensão, o que torna estáveis os núcleos atómicos. A sua descrição teórica - a cromodinâmica quântica (QCD) - é particularmente exigente quando se entra em regimes de densidade de energia extrema.

Ao medir quanto um quark perde ao atravessar o plasma e ao mapear de que forma essa energia reaparece como partículas mais lentas, os físicos obtêm parâmetros quantitativos sobre:

Propriedade investigada	O que os dados ajudam a revelar
Viscosidade do plasma	Quão “fluido” é o plasma e com que rapidez as perturbações se propagam
Difusão de energia	De que modo a energia do quark se distribui no espaço e nos ângulos
Atrito com o meio	A taxa de perda de energia do jacto ao atravessar o plasma
Força forte em regime extremo	Testes directos da QCD a temperaturas e densidades muito elevadas

Estes valores afinam modelos teóricos usados não só para descrever as colisões no LHC, mas também para compreender condições relevantes em estrelas de neutrões e em fases muito jovens do Universo.

Um ponto adicional é que diferentes experiências do CERN podem olhar para o mesmo fenómeno por ângulos complementares. Ao cruzar medições do CMS com resultados de outros detectores, torna-se possível reduzir incertezas e separar melhor os efeitos ligados à produção inicial do jacto daqueles que surgem, de facto, da interacção com o plasma.

Da matéria primordial aos átomos de hoje

Ao ajustar parâmetros como a energia dos feixes, o tipo de ião acelerado e os critérios usados para seleccionar eventos, os investigadores conseguem observar variações subtis do mesmo processo. Isso ajuda a reconstituir, etapa a etapa, como o plasma primordial arrefeceu até dar origem a protões, neutrões e, pouco depois, aos primeiros núcleos atómicos.

Os telescópios não conseguem observar directamente a fase em que o Universo estava preenchido por plasma de quarks e glúons: nessa altura, o cosmos era opaco à luz. As colisões de iões pesados funcionam como uma “janela experimental” estreita para esse período, comprimindo em fracções de segundo uma transição que o Universo levou microsegundos a atravessar.

Alguns conceitos a ter no radar

Plasma de quarks e glúons

É um estado da matéria no qual quarks e glúons não ficam confinados dentro de protões e neutrões, movendo-se num meio colectivo. Forma-se a temperaturas da ordem de biliões de graus. Não existe naturalmente hoje, excepto talvez em condições extremas no interior de objectos compactos.

Hidrodinâmica relativística

É a aplicação das leis dos fluidos em contextos onde as velocidades se aproximam da velocidade da luz e os efeitos relativísticos não podem ser ignorados. Neste regime, pressão, energia e viscosidade combinam-se de formas pouco intuitivas, exigindo modelos sofisticados e grande apoio em simulação numérica.

O que isto pode inspirar noutras áreas

Apesar de parecerem afastados da vida quotidiana, estes estudos geram efeitos colaterais relevantes. Métodos de análise de dados desenvolvidos para separar sinal de fundo no CMS, por exemplo, tendem a migrar para áreas como medicina, finanças e climatologia - onde também é crucial extrair padrões de grandes volumes de dados com rapidez.

Além disso, os modelos de fluidos quânticos usados para interpretar o plasma de quarks e glúons dialogam com investigações sobre estados exóticos da matéria em laboratório, como superfluidos e condensados a temperaturas ultra-baixas. Comparar sistemas tão diferentes em escala ajuda a testar ideias teóricas sobre como colectivos de partículas se podem organizar de forma surpreendente quando sujeitos a condições extremas.