Como partículas de luz podem estar produzindo gotas do líquido perfeito

O maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo pode estar produzindo as menores gotículas de líquido do mundo, bem debaixo do nariz dos cientistas. Pesquisadores estão investigando esse enigma subatômico.

No subsolo da fronteira Suíça-França, o Large Hadron Collider (LHC) no CERN detém o recorde de maior acelerador de partículas do mundo. Seu anel sozinho tem quase 17 milhas de diâmetro. Com essa ferramenta, os cientistas esmagam partículas subatômicas para ajudá-los a entender melhor os minúsculos blocos de construção do universo. Uma área que os cientistas usam o LHC para estudar é o plasma de quarks e glúons.

A sopa no começo do universo

O plasma quark-gluon é um líquido inimaginavelmente quente e pastoso. Ele é tão energético que os quarks e os gluons que compõem a matéria visível são liberados de seu confinamento usual dentro dos prótons e nêutrons nos núcleos. Ele realmente flui tão facilmente — muito mais facilmente do que a água — que os cientistas o consideram um líquido quase “perfeito”.

Originalmente, o plasma quark-gluon existia no começo do universo, logo após o Big Bang. Algumas frações de segundo depois, o plasma esfriou. Ao fazer isso, os quarks e os gluons se juntaram para criar os familiares prótons e nêutrons que compõem os núcleos dos átomos. Na vida cotidiana, os quarks e os gluons são sempre mantidos juntos em prótons e nêutrons.

Atualmente, o plasma quark-gluon só pode ser criado em dois lugares na Terra — o LHC e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, uma instalação de usuário do DOE Office of Science) no Brookhaven National Laboratory do DOE. Cientistas o estudam para entender melhor tanto as origens do nosso universo quanto as partículas que o compõem.

Para fazer isso, os cientistas colidem íons pesados. (Íons pesados ​​são átomos de elementos mais pesados ​​que hidrogênio com seus elétrons arrancados.) Em particular, o LHC colide íons de chumbo, enquanto o RHIC colide íons de ouro, entre outros. Alguns dos experimentos também colidem íons pesados ​​com prótons.

As colisões são tão energéticas que os glúons não mais mantêm os quarks juntos. Tanto os quarks quanto os glúons são liberados de seu confinamento em prótons e nêutrons. Assim como no início do universo, o plasma esfria rapidamente e se reforma em novas partículas. Ao examinar o número, os tipos e os caminhos das partículas, os cientistas podem trabalhar de trás para frente e obter novos detalhes sobre o plasma de quarks e glúons.

Identificando vestígios do plasma de quarks e glúons

Como o plasma de quarks e glúons existe por um período de tempo tão curto, pode ser difícil dizer quando ele foi formado ou não.

Quando os cientistas do RHIC começaram a estudar o plasma de quarks e glúons, eles usaram a teoria da física para identificar se o plasma se formava ou não. Eles sabiam que as colisões criariam muitas partículas, mas não sabiam o quão fortemente elas interagiriam umas com as outras. Os dados experimentais mostraram que a ciência da dinâmica de fluidos descreve bem o plasma de quarks e glúons.

Quando colisões entre íons se sobrepõem parcialmente, elas criam uma distribuição de densidade irregular e oblonga. As diferenças na pressão empurram partículas de regiões densas para regiões com menos partículas. Isso forma um padrão elíptico de partículas fluindo.

Conforme os cientistas estudavam mais profundamente o plasma de quarks e glúons, eles perceberam que esse padrão elíptico é uma característica fundamental dele. Esse padrão é evidência de que os quarks e os glúons estão interagindo fortemente, o que eles só podem fazer no plasma de quarks e glúons.

A princípio, os cientistas presumiram que apenas íons pesados ​​colidindo uns com os outros poderiam formar o plasma quark-gluon. Mas com o passar do tempo, eles examinaram novas combinações. Em colisões de íons com prótons, eles viram um padrão muito semelhante.

Então, cientistas conduzindo pesquisas no CERN como parte da Colaboração ATLAS — alguns deles do Laboratório Nacional Brookhaven do DOE — tentaram algo ainda mais radical. Eles examinaram o que estava acontecendo em colisões entre partículas de luz e íons no LHC.

Partículas de luz em colisão

O LHC já estava produzindo essas colisões — os cientistas só precisavam descobrir como estudá-las.

Quando o LHC lança íons de chumbo uns contra os outros, essas partículas têm carga positiva. Conforme se movem, produzem campos eletromagnéticos — luz muito brilhante. Esses campos produzem partículas de luz chamadas fótons. Conforme os íons de chumbo se movem pelo tubo acelerador, cada um deles é cercado por uma nuvem de fótons.

Por maiores que sejam para núcleos, os íons de chumbo ainda são muito pequenos no grande esquema das coisas. Na maioria das vezes, os íons disparados uns contra os outros não colidem. Há o suficiente deles no feixe que colidem para coletar dados, mas há muitos quase-acidentes. Felizmente, os quase-acidentes são o que os cientistas neste experimento queriam estudar.

Quando quase ocorrem acidentes, um dos fótons da nuvem de fótons que cerca um íon colide com um íon que vai na direção oposta. Pense em evitar esbarrar em alguém na calçada apenas para atingi-lo com sua mochila — o campo de fótons aqui é a mochila. Como há um feixe inteiro cheio de íons, essas colisões fóton-íon acontecem com bastante frequência.

Um padrão nos dados

O que os cientistas do LHC descobriram os surpreendeu. A maneira como as partículas fluíram após as colisões fóton-íon mostrou o padrão elíptico distinto associado ao plasma quark-gluon. Isso era estranho porque os fótons simplesmente não deveriam ter energia suficiente para derreter os prótons e nêutrons dos núcleos de chumbo massivos. Seria como jogar um fósforo em um iceberg.

Mas a física quântica forneceu uma explicação potencial.

Embora a antimatéria pareça um conceito de ficção científica, ela é definitivamente real. Partículas de antimatéria são parceiras de partículas de matéria. Elas têm a mesma massa, mas cargas opostas. Quase 100 anos atrás, o físico Paul Dirac previu a antimatéria. Ele também previu que quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria se encontram, elas se destroem e produzem dois fótons. Experimentos posteriores mostraram que suas previsões estavam corretas.

Aqui está a parte estranha — esse processo também pode acontecer ao contrário. Devido às flutuações quânticas, dois fótons também podem interagir e criar um quark e um antiquark. Antes que o quark e o antiquark se destruam, eles podem formar uma partícula intermediária muito breve. Físicos de partículas acham que essa partícula intermediária pode ser o méson rho, uma partícula feita de um quark e um antiquark mantidos juntos por glúons. Ao contrário de um único fóton, um méson rho colidindo com um íon de chumbo poderia potencialmente ter um impacto.

Mas tudo isso eram dados experimentais. Para garantir que os dados experimentais se encaixem na teoria da física, os cientistas precisam criar cálculos que os descrevam com precisão.

Analisando os números

Entram os teóricos. Físicos teóricos do Brookhaven National Laboratory do DOE e da Wayne State University, apoiados pelo Office of Science do DOE, cavaram os dados para dar mais sentido a eles.

Felizmente, eles não estavam começando do zero. Eles já tinham os cálculos que descrevem as colisões entre íons de chumbo e prótons. Esses cálculos são cálculos hidrodinâmicos — eles descrevem o movimento de fluidos.

Com base nessa estrutura, os cientistas adaptaram esses cálculos para que pudessem descrever também colisões quase-acidentes. A primeira grande mudança foi acomodar o fato de que um tipo completamente diferente de partícula estava interagindo com um íon. A outra foi ajustar o fato de que um méson rho (a partícula intermediária) tinha muito menos energia do que os prótons com os quais o acelerador normalmente colide com íons. Como resultado, toda a colisão teve menos energia. Isso mudou o fluxo de partículas.

Com esses ajustes, os teóricos descobriram que seus cálculos do padrão de fluxo mais óbvio correspondiam aos dados experimentais do LHC.

Eles também tiraram conclusões semelhantes às dos cientistas do LHC — que há uma possibilidade de que as colisões fóton-íon estejam formando um “fluido fortemente interativo”. Embora este trabalho não prove isso, esses estudos apontam para a possibilidade de que essas colisões muito menores possam, de fato, estar formando pequenas gotículas de plasma de quarks e glúons.

Cavando mais fundo

Esses estudos estabelecem a base para pesquisas que podem se aprofundar no que exatamente está acontecendo. Estudos futuros no LHC e RHIC ajudarão os cientistas a descobrir se essas colisões estão formando o plasma quark-gluon ou se há uma explicação alternativa. O Electron-Ion Collider, uma instalação de usuário do DOE Office of Science que está em construção, deve oferecer ainda mais insights.

Antigamente, o plasma de quarks e glúons só existia no começo do universo. Mas agora, estamos descobrindo que ele pode estar aparecendo em nossos experimentos de maneiras que nunca teríamos esperado. Às vezes, aprender mais sobre os próprios blocos de construção do nosso universo requer apenas uma nova perspectiva sobre os experimentos que já estamos realizando.