Quarks pesados revelam novas pistas sobre o Universo após o Big Bang

Uma equipa de investigadores deu mais um passo para perceber de que forma algumas das partículas mais pesadas do Universo se comportam quando sujeitas a condições extremas, semelhantes às que existiam pouco depois do Big Bang.

O trabalho, publicado na revista Relatórios de Física, apresenta novas perspetivas sobre as forças fundamentais que moldaram o nosso Universo e que ainda hoje influenciam a sua evolução.

A investigação foi realizada por uma colaboração internacional que reúne a Universidade de Barcelona, o Instituto Indiano de Tecnologia e a Universidade Texas A&M. O foco está em partículas que incluem quarks pesados - componentes essenciais de alguns dos objetos subatómicos mais massivos conhecidos.

Entre estas partículas contam-se os hádrons de charme e de bottom, que oferecem uma forma privilegiada de estudar a matéria em regimes praticamente impossíveis de reproduzir de forma natural na Terra.

Colisões em aceleradores para recriar condições do Universo primitivo

Para explorar estes cenários extremos, os cientistas fazem colidir núcleos atómicos a velocidades próximas da luz, recorrendo a grandes aceleradores de partículas como o Grande Colisionador de Hadrões (LHC) e o Colisor Relativista de Iões Pesados (RHIC).

Estas colisões produzem temperaturas mais de 1 000 vezes superiores às do centro do Sol e, por instantes, geram um estado da matéria chamado plasma de quarks-gluões: uma “sopa” de partículas fundamentais que existiu nos primeiros microssegundos após o Big Bang.

Do plasma de quarks-gluões à matéria hadrónica

À medida que este plasma extremamente quente arrefece, converte-se em matéria hadrónica - uma fase formada por partículas familiares, como protões e neutrões, e também por outras partículas exóticas, como bariões e mésons.

Compreender esta passagem é essencial para reconstruir a forma como, no Universo primordial, a matéria evoluiu de um caldo caótico de constituintes fundamentais para as estruturas organizadas que observamos atualmente.

Quarks pesados, hádrons de charme e bottom como “sensores”

Em ambientes tão extremos, os quarks pesados funcionam como sensores microscópicos. Por serem muito mais massivos do que as partículas leves, deslocam-se mais lentamente e interagem de outra maneira com o meio que os envolve. Essa particularidade torna-os especialmente úteis para sondar as propriedades da matéria quente e densa que atravessam.

A ideia pode ser comparada a largar uma bola pesada numa piscina cheia de pessoas: mesmo depois de o grande salpico e as ondas maiores passarem, a bola continua a embater nos nadadores enquanto se move na água. Do mesmo modo, as partículas pesadas criadas nas colisões nucleares mantêm interações com as partículas à sua volta, mesmo quando a fase mais quente e mais caótica já ficou para trás.

Até aqui, grande parte dos estudos concentrava-se sobretudo na fase inicial do plasma de quarks-gluões, quando as temperaturas são máximas. No entanto, este novo trabalho mostra que a fase seguinte, de arrefecimento - em que o sistema transita para matéria hadrónica - é determinante para explicar como as partículas se comportam e o que, afinal, é possível medir nas experiências.

Os autores analisaram de que forma hádrons pesados, em particular os mésons D e B (partículas que contêm quarks de charme e de bottom), interagem com partículas mais leves durante este intervalo de transição.

Essas interações deixam marcas em grandezas observáveis, como os padrões de escoamento das partículas e a perda de energia, oferecendo dados valiosos sobre as propriedades fundamentais da matéria em condições extremas.

"Esta fase, quando o sistema já arrefeceu, continua a desempenhar um papel importante na forma como as partículas perdem energia e escoam em conjunto. Ignorar esta fase significaria perder uma peça crucial do puzzle." Juan M. Torres-Rincón, da Universidade de Barcelona.

Perceber o comportamento de partículas pesadas em matéria quente é crucial para mapear as propriedades do Universo primordial e as forças fundamentais que o regem. As conclusões também estabelecem bases para experiências futuras a energias mais baixas, incluindo estudos planeados no Super Sincrotrão de Protões (CERN) e na futura instalação FAIR, na Alemanha.

Este trabalho contribui para responder a questões fundamentais sobre a forma como o nosso Universo evoluiu, desde os seus instantes iniciais, até ao cosmos complexo que observamos hoje.

Ao investigar a matéria nas condições mais extremas possíveis, os cientistas continuam a desvendar segredos sobre as nossas origens e sobre as forças que moldam a própria realidade.

Este artigo foi originalmente publicado pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.