Primeiras provas de que o plasma de quarks e gluões (QGP) se comportava como uma “sopa” primordial

Logo após o estrondo da Grande Explosão, o Universo era uma “sopa” a um bilião de graus: um plasma inimaginavelmente denso e exótico. Num ensaio experimental marcante, investigadores encontraram as primeiras evidências de que essa gosma primordial, de facto, ondulava e rodopiava como uma sopa.

Em termos mais rigorosos, essa “sopa” chama-se plasma de quarks e gluões, ou QGP. Foi o primeiro líquido - e o mais quente - a existir. As previsões indicam que chegou a arder a temperaturas mil milhões de vezes superiores às da superfície do Sol durante alguns milionésimos de segundo, antes de se expandir, arrefecer e, por fim, se agregar em átomos.

Como as colisões de iões pesados no LHC recriam o QGP

Conforme descrito num estudo recente, uma equipa de físicos do MIT e do CERN recriou colisões de iões pesados semelhantes às que deram origem ao QGP, para investigar as suas propriedades. Por exemplo: quando um quark atravessa o plasma, será que recua e “salpica” como um líquido coeso, ou dispersa ao acaso como se fosse apenas um conjunto de partículas?

Para responder a isso, os investigadores analisaram dados de colisões entre partículas de chumbo, esmagadas quase à velocidade da luz, no interior do Grande Colisor de Hadrões (LHC) do CERN. Choques deste tipo geram jactos de partículas muito energéticas, como quarks, e também uma gotícula de QGP - o mesmo material que impregnava o Universo recém-nascido.

Recorrendo a uma estratégia invulgar que ofereceu uma visão mais nítida destas colisões de iões pesados do que em experiências anteriores, os físicos seguiram o movimento dos quarks através do QGP e cartografaram a energia do QGP após essas colisões.

“Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, ao ponto de conseguir abrandar um quark, e produz salpicos e redemoinhos como um líquido. Portanto, o plasma de quarks e gluões é mesmo uma sopa primordial”, afirma o físico Yen-Jie Lee, do MIT.

Rastos, energia transferida e a “esteira” deixada por um quark

À medida que os quarks atravessam o QGP a grande velocidade, cedem parte da sua energia ao plasma: perdem rapidez e deixam atrás de si uma esteira, tal como um barco em andamento.

“Por analogia, quando tem um barco a mover-se num lago, a esteira é a água atrás do barco, que está a deslocar-se na direcção do barco. O barco transferiu quantidade de movimento para uma região de água, que o está a ‘seguir’”, explicou por e-mail ao ScienceAlert o físico do MIT Krishna Rajagopal, que desenvolveu um modelo que antecipava as propriedades fluídas do QGP.

Só que, em vez de uma esteira limpa como a que se observa na água, a equipa teve de deduzir uma versão desordenada desse efeito nas suas pequenas gotículas de QGP.

O desafio passa por vasculhar dezenas de milhares de partículas em interacção caótica, num plasma a um bilião de graus que, no LHC, costuma existir por apenas 10^-15 de segundo, para encontrar as relativamente poucas partículas desviadas pela esteira.

Porque é que pares quark–antiquark confundem a medição - e o papel do bosão Z

Nada disto é simples. Rajagopal esclareceu ao ScienceAlert que, quando os quarks são produzidos nas colisões do LHC, nunca aparecem isolados. Em geral formam-se juntamente com antiquarks - partículas equivalentes, mas com carga oposta. O quark e o seu antiquark seguem em direcções opostas com a mesma velocidade, cada um criando a sua própria esteira, o que torna a detecção muito mais complicada.

Por isso, em vez de procurarem pares quark–antiquark (como em experiências anteriores), os físicos focaram-se noutro tipo de par. Em alguns eventos, as colisões no LHC originam um quark e um bosão Z, uma partícula elementar neutra que não cria esteira, por não interagir com o QGP.

Ainda assim, esses eventos são pouco frequentes. Entre 13 mil milhões de colisões do LHC analisadas no estudo, apenas cerca de 2.000 produziram um bosão Z. Mas precisamente por o bosão Z não interagir com o QGP, a equipa conseguiu finalmente analisar a esteira causada por um único quark em alta velocidade. Tal como o modelo de Rajagopal antecipava, o QGP respondeu como um líquido, oscilando e formando redemoinhos na esteira do quark.

Rajagopal disse ao ScienceAlert que esta é “uma prova definitiva e inequívoca” do comportamento líquido do QGP, mas o debate antigo sobre se o plasma de quarks e gluões flui e ondula como um fluido poderá ainda não estar encerrado. Outros investigadores irão, certamente, escrutinar os resultados.

Ainda assim, esta nova abordagem oferece um enquadramento para estudar processos semelhantes noutros tipos de colisões de alta energia, o que pode ajudar a clarificar uma das substâncias mais misteriosas da história do Universo.

“Em muitas outras áreas da ciência, a forma de aprender 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 isso que também torna a física divertida - se não tem a certeza de como algo funciona, basta esmagá-lo a quase à velocidade da luz.

Esta investigação foi publicada na revista Physics Letters B.