Usando o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Large Hadron Collider do CERN, os cientistas descobriram que a “sopa” primordial quente de trilhões de graus que encheu o cosmos por meros milionésimos de segundo após o Big Bang na verdade se comportou como um líquido, tornando-a semelhante a uma sopa literal.
Esta sopa primordial era composta por um plasma de partículas chamadas quarks e glúons que esfriavam rapidamente, fazendo com que esses dois tipos de partículas se fundissem e criassem partículas fundamentais como prótons e nêutrons, que hoje estão no centro de todos os átomos que compõem a matéria ao nosso redor. Hoje, os quarks e os glúons só são encontrados presos nas partículas que os compõem, com uma exceção. Ao esmagar átomos pesados de chumbo viajando a velocidades próximas à da luz, usando o Grande Colisor de Hádrons (LHC), os cientistas podem criar um ambiente de alta energia que brevemente liberta glúons e quarks desta ligação atômica, recriando o plasma quark-glúon de o universo primitivo.
“Tem sido um longo debate em nossa área sobre se o plasma deveria responder a um quark”, disse o membro da equipe Yen-Jie Lee, professor de física no MIT. disse em um comunicado. “Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, de tal forma que é capaz de desacelerar um quark e produzir salpicos e redemoinhos como um líquido. “Portanto, o plasma de quark-glúon é realmente uma sopa primordial.”
Para observar as esteiras criadas no plasma de quark-glúon por partículas em viagem, Lee e colegas usaram o detector Compact Muon Solenoid (CMS) do LHC para desenvolver uma técnica que também lhes permitiu medir o tamanho, a velocidade e a extensão dessas esteiras, e quanto tempo leva para elas diminuirem e se dissiparem. Esta informação pode ser crítica para uma melhor compreensão das propriedades do plasma de quark-glúon e como ele se comportou durante os primeiros microssegundos do cosmos.
“Estudar como o quark desperta saltando para frente e para trás nos dará novos insights sobre as propriedades do plasma de quark-glúon”, disse Lee. “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 foi apenas o primeiro líquido a existir no universo, mas com uma temperatura de muitos trilhões de graus, é também o líquido mais quente que já existiu. A sopa primordial é considerada um líquido quase perfeito, o que significa que seu conteúdo de quark e glúon fluiu junto como um fluido suave e sem atrito.
Embora existam muitos modelos de plasma quark-glúon, uma teoria, apelidada de “modelo híbrido”, sugere que esta sopa primordial deveria reagir como qualquer outro líquido quando as partículas passam através dela em alta velocidade. No modelo híbrido, um jato de quarks movendo-se através do plasma de quark-glúon deveria criar uma esteira, pois causaria ondulações e salpicos neste oceano de plasma.
Houve muitos experimentos no LHC e em outros aceleradores de partículas que tentaram ver esse efeito em ação. Esses experimentos só são possíveis através da colisão de átomos carregados pesados, ou íons pesados, próximos à velocidade da luz, o que pode gerar uma gota de sopa primordial que vive por não mais do que um quatrilionésimo de segundo. Os cientistas continuam a tentar tirar fotos desta sopa primordial para compreender as características do plasma de quark-glúon.
Na tentativa de identificar rastros no plasma de quarks e glúons, os cientistas têm procurado pares de quarks e suas contrapartes de antimatéria conhecidas como anti-quarks. Quando um quark atravessa o plasma, deveria existir um antiquark, viajando precisamente na mesma velocidade, mas na direção oposta. Ambas as partículas, de acordo com o modelo híbrido, deveriam criar rastros detectáveis. Parece bastante simples, mas há uma mosca nesta sopa.
“Quando você produz dois quarks, o problema é que, quando os dois quarks vão em direções opostas, um quark ofusca a esteira do segundo quark”, explicou Lee. Esta equipa percebeu que encontrar a esteira de um quark seria mais simples se não houvesse um segundo quark a obscurecê-la.
“Descobrimos uma nova técnica que nos permite ver os efeitos de um único quark no plasma de quark-glúon, através de um par diferente de partículas”, acrescentou Lee.
Croutons de bóson
Em vez de procurar pares de quarks, Lee e colegas procuraram quarks viajando em uníssono com uma partícula elementar neutra chamada bóson Z, que tem pouco efeito no seu entorno. A vantagem dos bósons Z é que eles têm uma energia específica, o que os torna comparativamente fáceis de detectar.
“Nesta sopa de plasma de quarks e glúons, existem numerosos quarks e glúons passando e colidindo uns com os outros”, disse Lee. “Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões cria um bóson Z e um quark, com grande momento.”
Nestas circunstâncias, o quark e o bóson Z deveriam colidir um com o outro e ricochetear em direções opostas, com o quark deixando um rastro, mas com o bóson Z não deixando nenhum devido à sua falta de impacto no plasma de quark-glúon circundante. Isso significa que quaisquer ondulações detectadas nesta situação são causadas apenas por um quark.
Depois de observar 13 mil milhões de colisões no LHC, Lee e a equipa identificaram cerca de 2.000 casos em que foi produzido um bóson Z. Durante estes eventos, os cientistas observaram consistentemente um padrão de salpicos semelhantes a fluidos viajando na direção oposta dos bósons Z que detectaram. Esse, eles determinaram, era o tão procurado efeito de esteira de quarks. Na verdade, os padrões observados estavam em conformidade com as previsões de ondulação feitas pelo modelo híbrido de plasma quark-glúon.
“Obtivemos a primeira evidência direta de que o quark de fato arrasta consigo mais plasma à medida que viaja”, concluiu Lee. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento deste fluido exótico com detalhes sem precedentes.”
A pesquisa da equipe foi publicada na revista Física Letras B.
