Os físicos observaram a primeira evidência clara de que os quarks criam uma esteira à medida que aceleram através do plasma de quark-glúon, confirmando que o plasma se comporta como um líquido.
(Notícias Nanowerk) Em seus primeiros momentos, o universo infantil period uma sopa quente de quarks e glúons a um trilhão de graus. Essas partículas elementares giravam à velocidade da luz, criando um “plasma de quark-glúon” que durou apenas alguns milionésimos de segundo. A gosma primordial esfriou rapidamente e seus quarks e glúons individuais se fundiram para formar os prótons, nêutrons e outras partículas fundamentais que existem hoje.
Físicos do Grande Colisor de Hádrons do CERN, na Suíça, estão recriando o plasma de quark-glúon (QGP) para compreender melhor os ingredientes iniciais do universo. Ao colidir íons pesados a velocidades próximas à da luz, os cientistas podem desalojar brevemente quarks e glúons para criar e estudar o mesmo materials que existiu durante os primeiros microssegundos do universo primitivo.
Agora, uma equipa do CERN liderada por físicos do MIT observou sinais claros de que os quarks criam rastros à medida que aceleram através do plasma, semelhantes a um pato que traça ondulações na água. As descobertas são a primeira evidência direta de que o plasma de quark-gluon reage a partículas em alta velocidade como um único fluido, espirrando e espirrando em resposta, em vez de se espalhar aleatoriamente como partículas individuais.
“Tem sido um longo debate na nossa área sobre se o plasma deveria responder a um quark”, diz Yen-Jie Lee, professor de física no MIT. “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 ver os efeitos da esteira de um quark, Lee e seus colegas desenvolveram uma nova técnica que relatam no estudo. Eles planejam aplicar a abordagem a mais dados de colisão de partículas para se concentrar em outros rastros de quarks. Medir o tamanho, a velocidade e a extensão destas ondas, e quanto tempo leva para que elas diminuam e se dissipem, pode dar aos cientistas uma ideia das propriedades do próprio plasma e de como o plasma de quark-glúon pode ter se comportado nos primeiros microssegundos do universo.
“Estudar como o quark desperta saltando para frente e para trás nos dará novos insights sobre as propriedades do plasma de quark-glúon”, diz Lee. “Com esta experiência, estamos a tirar uma fotografia desta sopa de quark primordial.”
Os coautores do estudo são membros da CMS Collaboration — uma equipe de físicos de partículas de todo o mundo que trabalham juntos para realizar e analisar dados do experimento Compact Muon Solenoid (CMS), que é um dos detectores de partículas de uso geral no Giant Hadron Collider do CERN. O experimento CMS foi usado para detectar sinais de efeitos de esteira de quarks para este estudo. O estudo de acesso aberto aparece na revista Letras B de Física (“Evidência de resposta média a sondas duras usando correlações de bósons Z com hádrons em colisões de íons pesados”).
Sombras de quark
O plasma de quark-gluon é o primeiro líquido que já existiu no universo. É também o líquido mais quente de sempre, já que os cientistas estimam que durante a sua breve existência, o QGP esteve em torno de alguns biliões de graus Celsius. Pensa-se também que este guisado fervente period um líquido quase “perfeito”, o que significa que os quarks e glúons individuais no plasma fluíam juntos como um fluido suave e sem atrito.
Esta imagem do QGP é baseada em muitos experimentos independentes e modelos teóricos. Um desses modelos, derivado por Krishna Rajagopal, professor de física William AM Burden no MIT, e seus colaboradores, prevê que o plasma de quark-gluon deveria responder como um fluido a quaisquer partículas que passassem por ele. A sua teoria, conhecida como modelo híbrido, sugere que quando um jacto de quarks passa pelo QGP, deverá produzir uma esteira atrás dele, induzindo o plasma a ondular e a salpicar em resposta.
Os físicos procuraram esses efeitos de esteira em experimentos no Grande Colisor de Hádrons e em outros aceleradores de partículas de alta energia. Estas experiências agitam iões pesados, como o chumbo, até perto da velocidade da luz, altura em que podem colidir e produzir uma gota de sopa primordial de curta duração, normalmente com duração inferior a um quatrilionésimo de segundo. Os cientistas essencialmente tiram uma foto do momento para tentar identificar as características do QGP.
Para identificar os rastros de quarks, os físicos procuraram pares de quarks e “antiquarks” – partículas que são idênticas aos seus homólogos quarks, exceto que certas propriedades são iguais em magnitude, mas opostas em sinais. Por exemplo, quando um quark atravessa o plasma, é provável que haja um antiquark viajando exatamente na mesma velocidade, mas na direção oposta.
Por esta razão, os físicos procuraram pares quark/antiquark no QGP produzidos em colisões de íons pesados, assumindo que as partículas poderiam produzir esteiras idênticas e detectáveis através do plasma.
“Quando você produz dois quarks, o problema é que, quando os dois quarks vão em direções opostas, um quark ofusca o rastro do segundo quark”, diz Lee.
Ele e os seus colegas perceberam que procurar a esteira do primeiro quark seria mais fácil se não houvesse um segundo quark obscurecendo os seus efeitos.
“Descobrimos uma nova técnica que nos permite ver os efeitos de um único quark no QGP, através de um par diferente de partículas”, diz Lee.
Uma etiqueta de despertar
Em vez de procurar pares de quarks e antiquarks após as colisões de iões de chumbo, a equipa de Lee procurou eventos com apenas um quark a mover-se através do plasma, essencialmente lado a lado com um “bóson Z”. O bóson AZ é uma partícula elementar neutra e eletricamente fraca que praticamente não tem efeito no ambiente circundante. No entanto, como existem com uma energia muito específica, os bósons Z são relativamente fáceis de detectar.
“Nesta sopa de plasma de quarks e glúons, existem numerosos quarks e glúons passando e colidindo uns com os outros”, explica Lee. “Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões cria um bóson Z e um quark, com grande momento.”
Em tal colisão, as duas partículas deveriam colidir uma com a outra e voar em direções exatamente opostas. Embora o quark possa deixar um rastro, o bóson Z não deverá ter efeito no plasma circundante. Quaisquer ondulações observadas na gota da sopa primordial teriam sido produzidas inteiramente pelo único quark que passa por ela.
A equipe, em colaboração com o grupo do professor Yi Chen da Universidade Vanderbilt, concluiu que poderiam usar os bósons Z como uma “etiqueta” para localizar e rastrear os efeitos de esteira de quarks individuais. Para o seu novo estudo, os investigadores analisaram dados das experiências de colisão de iões pesados do Giant Hadron Collider. De 13 mil milhões de colisões, identificaram cerca de 2.000 eventos que produziram um bóson Z. Para cada um destes eventos, mapearam as energias ao longo do plasma de quarks-glúons de curta duração e observaram consistentemente um padrão semelhante a um fluido de salpicos em redemoinhos – um efeito de esteira – na direção oposta dos bósons Z, que a equipe poderia atribuir diretamente ao efeito de quarks únicos zunindo através do plasma.
Além do mais, os físicos descobriram que os efeitos da esteira observados nos dados eram consistentes com o que o modelo híbrido de Rajagopal prevê. Em outras palavras, o plasma de quark-glúon de fato flui e ondula como um fluido quando as partículas passam por ele.
“Isso é algo que muitos de nós argumentamos que deve existir há muitos anos e que muitos experimentos têm procurado”, diz Rajagopal, que não esteve diretamente envolvido no novo estudo.
“O que Yen-Jie e o CMS fizeram foi conceber e executar uma medição que trouxe a eles e a nós a primeira evidência limpa, clara e inequívoca deste fenómeno basic”, diz Daniel Pablos, professor de física na Universidade de Oviedo, em Espanha, e colaborador de Rajagopal, que não esteve envolvido no estudo atual.
“Obtivemos a primeira evidência direta de que o quark de fato arrasta consigo mais plasma à medida que viaja”, acrescenta Lee. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento deste fluido exótico com detalhes sem precedentes.”