Usando o Large Hadron Collider do CERN, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, os cientistas descobriram que a “sopa” primordial quente de trilhões de graus que encheu o universo apenas um milionésimo de segundo após o Big Bang na verdade se comportou como um líquido, tornando-a semelhante a uma sopa real.
Essa sopa primordial consistia em um plasma de partículas chamadas quarks e glúons, que esfriavam rapidamente, fazendo com que os dois tipos de partículas se fundissem e criassem partículas elementares como prótons e nêutrons, que hoje estão no centro de todos os átomos que compõem a matéria que nos rodeia. Hoje, os quarks e os glúons só são encontrados presos nas partículas de que são feitos, com uma exceção. Ao colidir átomos pesados de chumbo viajando quase à velocidade da luz Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider), os cientistas podem criar um ambiente de alta energia que libera brevemente glúons e quarks dessa ligação atômica, recriando um plasma quark-glúon universo primitivo.
“No nosso campo, tem havido um debate sobre se os plasmas deveriam responder aos quarks”, disse o membro da equipa Yen-Jie Lee, professor de física no MIT. disse em um comunicado. “Agora vemos que o plasma é muito denso, por isso é capaz de desacelerar os quarks e criar salpicos e redemoinhos como um líquido. Portanto, o plasma de quark-glúon é realmente uma sopa primordial.”
Para observar as esteiras criadas pelo movimento de partículas num plasma de quark-glúon, Lee e colegas desenvolveram uma técnica usando o detector Compact Meson Solenoid (CMS) do Large Hadron Collider, que também lhes permitiu medir o tamanho, a velocidade e a extensão destas esteiras, bem como o tempo que demoram a diminuir e a dissipar-se. Esta informação é crítica para melhor compreender as propriedades do plasma de quark-glúon e seu comportamento nos primeiros microssegundos do universo.
“Estudar como os quarks saltam para frente e para trás nos dará novos insights sobre as propriedades dos plasmas de quark-glúon”, disse Li. “Com esta experiência, estamos a tirar uma fotografia desta sopa de quark primordial.”
Você pode querer soprar esta sopa por um tempo
O plasma de quark-gluon não é apenas o primeiro líquido a existir no universo, mas com temperaturas atingindo trilhões de graus, é também o líquido mais quente já criado. A sopa primordial é considerada um líquido quase perfeito, o que significa que o seu conteúdo de quark e glúon flui juntos como um fluido suave e sem atrito.
Embora existam muitos modelos de plasma de quark-gluon, uma teoria conhecida como “modelo híbrido” sugere que, à medida que as partículas se movem através desta sopa primordial em altas velocidades, ela deve reagir como qualquer outro líquido. Num modelo híbrido, um jato de quarks viajando através de um plasma de quark-glúon deveria produzir uma esteira porque causa ondulações e salpicos no oceano de plasma.
Muitos experimentos foram conduzidos no Grande Colisor de Hádrons e em outros aceleradores de partículas para tentar observar esse efeito em ação. Estas experiências só são possíveis através da colisão de átomos pesados ou iões pesados quase à velocidade da luz, o que pode criar uma gota de sopa primordial que não vive mais do que um trilionésimo de segundo. Os cientistas continuam a tentar tirar fotos desta sopa primordial para compreender as características do plasma de quark-glúon.
Ao tentar identificar rastos em plasmas de quark-glúon, os cientistas têm procurado pares de quarks e os seus homólogos de antimatéria, chamados antiquarks. À medida que os quarks viajam através do plasma, deveria haver antiquarks, viajando exatamente na mesma velocidade, mas em direções opostas. De acordo com o modelo de mistura, ambas as partículas devem produzir esteiras detectáveis. Parece simples, mas há uma mosca nesta sopa.
“Quando dois quarks são produzidos, o problema é que quando os dois quarks se movem em direções opostas, o primeiro quark obscurece a esteira do segundo quark”, explica Li. A equipe percebeu que encontrar a esteira do quark seria mais simples se não houvesse um segundo quark obscurecendo a esteira do quark.
“Descobrimos uma nova técnica que nos permite observar os efeitos de um único quark num plasma de quark-glúon através de um par de partículas diferentes”, acrescentou Li.
Croutons de Bóson
Em vez de procurar pares de quarks, Li e os seus colegas procuraram quarks que se movessem em uníssono com uma partícula elementar neutra chamada bóson Z, que tem pouco efeito sobre o seu entorno. A vantagem dos bósons Z é que eles possuem uma energia específica, o que os torna relativamente fáceis de detectar.
“Na sopa de plasma quark-glúon, há muitos quarks e glúons passando e colidindo uns com os outros”, disse Li. “Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões produz bósons Z e quarks com alto momento.”
Neste caso, o quark e o bóson Z deveriam bater um no outro e saltar em direções opostas, com o quark deixando um rastro, mas o bóson Z não deixando um rastro devido à sua falta de influência no plasma de quark-glúon circundante. Isto significa que quaisquer ondulações encontradas neste caso são produzidas apenas por quarks.
Depois de observar 13 mil milhões de colisões no LHC, Lee e a sua equipa encontraram cerca de 2.000 ocorrências de produção de bosões Z. Durante estes eventos, os cientistas observaram consistentemente um padrão de respingos semelhante a um fluido na direção oposta do bóson Z que detectaram. Eles determinaram que este era o popular efeito de despertar dos quarks. Na verdade, o padrão observado é consistente com as previsões de ondulação feitas pelos modelos de mistura de plasma quark-glúon.
“Obtivemos a primeira evidência direta de que os quarks de fato arrastam mais plasma com eles à medida que se propagam”, concluiu Li. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento deste fluido exótico com detalhes sem precedentes.”
Resultados da pesquisa da equipe publicados Publicado na revista Physics Letters B.
