LHC recria plasma de quarks e gluões após o Big Bang

Num túnel subterrâneo na fronteira entre França e Suíça, colisões microscópicas procuram recuperar um capítulo perdido da história do Universo.

No Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, os físicos recriam, durante intervalos inconcebivelmente breves, as condições existentes imediatamente após o Big Bang. Estas “mini explosões cósmicas” permitem estudar uma forma exótica de matéria que já não se encontra no Universo atual.

O que implica recriar a primeira fração de segundo do cosmos

Para perceber como se comportava a matéria no primeiro milissegundo posterior ao Big Bang, os investigadores recorrem a colisões de iões pesados, sobretudo núcleos de chumbo acelerados até velocidades próximas da velocidade da luz.

No momento do impacto, a energia por partícula atinge a gama dos teraeletrão-volts. A temperatura resultante é tão elevada que protões e neutrões “derretem”, separando-se nos seus constituintes fundamentais: quarks e gluões. Em vez de partículas claramente definidas, forma-se um plasma coletivo e denso, conhecido como plasma de quarks e gluões.

Este estado da matéria dominou o Universo durante cerca de um milionésimo de segundo depois do Big Bang. Atualmente, apenas pode ser produzido artificialmente, em laboratórios como o LHC, e subsiste por um período extremamente curto.

Em cada colisão, forma-se uma gota de plasma de quarks e glúons com cerca de 10⁻¹⁴ metro de diâmetro, dez mil vezes menor que um átomo, que desaparece quase instantaneamente.

Apesar de minúsculo e passageiro, o plasma deixa uma “assinatura” em milhares de partículas projetadas a partir do ponto de colisão. Ao interpretar esse padrão, os físicos conseguem deduzir características da matéria em condições extremas de temperatura e densidade, impossíveis de reproduzir noutro contexto.

Um fluido quase perfeito à escala subatómica

Os dados reunidos ao longo de mais de uma década de colisões de iões pesados revelam algo inesperado: o plasma não se comporta como um gás pouco denso, mas sim como um fluido altamente organizado, com uma viscosidade extremamente baixa.

A viscosidade mede o grau de “espessura” ou de resistência ao escoamento de um fluido. A água apresenta baixa viscosidade, enquanto o mel tem uma viscosidade elevada. Apesar das temperaturas extremas, o plasma de quarks e gluões parece assemelhar-se mais à água do que ao mel.

Esta fluidez mostra que os quarks e os gluões, embora estejam “desconfinados”, mantêm interações coletivas muito intensas. Em vez de partículas isoladas, surge algo semelhante a um “líquido quântico”, governado pela força forte e descrito pela cromodinâmica quântica (QCD).

O papel do bosão Z: uma referência no meio do caos

Para avaliar a reação deste fluido exótico, os físicos necessitam de uma espécie de “régua” interna da colisão. É aqui que entra o bosão Z.

O bosão Z é uma partícula elementar do Modelo Padrão associada à interação fraca. Ao contrário dos quarks e gluões, não é afetado pela força forte. Por isso, funciona como um marcador eficaz: atravessa o plasma praticamente sem ser alterado pelo meio.

Como o bosão Z permite medir o plasma de quarks e gluões

Na experiência realizada com o detetor CMS, os investigadores selecionam acontecimentos em que são produzidos simultaneamente:

• um bosão Z, que se desintegra quase de imediato em dois leptões, como um eletrão e um positrão ou dois muões; e
• um quark muito energético, emitido na direção oposta à do bosão Z.

Os leptões originados pelo bosão Z deixam trajetórias muito nítidas no detetor. Isto permite reconstruir com elevada precisão a energia e a direção iniciais do bosão, que servem como uma referência fiável para a energia do processo.

Enquanto o bosão Z sai ileso, o quark energético atravessa a gota de plasma de quarks e gluões e começa a interagir intensamente com o meio. Gradualmente, perde energia, que é dispersa sob a forma de partículas mais lentas e detetada como um “chuveiro” de hadrões.

A comparação entre colisões chumbo–chumbo e colisões próton–próton mostra que quarks que atravessam o plasma perdem mais energia e geram um padrão diferente de partículas ao redor de sua trajetória.

Esta diferença revela a forma como o plasma absorve e redistribui a energia do quark.

Um rasto no plasma: sinal de um “sulco” hidrodinâmico

Os resultados mais recentes apontam para uma assinatura muito particular: há um excesso de partículas de baixa energia em determinadas direções em torno da trajetória do quark, com uma distribuição angular ausente em colisões sem plasma denso.

O padrão faz lembrar as previsões dos modelos hidrodinâmicos para um objeto rápido que atravessa um fluido: cria-se uma onda de perturbação, semelhante ao rasto deixado por um barco na água.

O que indicam os modelos hidrodinâmicos

As simulações de QCD e de hidrodinâmica relativista sugerem que, quando um jato de partículas energéticas atravessa o plasma, deposita energia e momento no meio, criando uma região perturbada que se propaga.

No caso observado pelo CMS:

• verifica-se um excesso de partículas suaves, de baixa energia, em torno da direção do jato;
• a estrutura desta emissão é ampla e não fica limitada a um cone estreito;
• o padrão é compatível com um fluido de baixa viscosidade, no qual a perturbação se propaga coletivamente.

Os dados experimentais são coerentes com a imagem de um “sulco hidrodinâmico” no plasma. O meio não reage apenas localmente, ponto por ponto, mas comporta-se como um fluido contínuo, confirmando a natureza coletiva da matéria produzida.

A presença de um sonda hidrodinâmico é um teste direto de que o plasma de quarks e glúons se comporta como um fluido fortemente acoplado, e não como um gás de partículas independentes.

O impacto na compreensão da força forte

A força forte mantém unidos os protões e os neutrões e, consequentemente, assegura a coesão dos núcleos atómicos. É descrita pela cromodinâmica quântica, uma teoria complexa que se torna ainda mais difícil de analisar em regimes de densidade de energia extrema.

Ao determinar como um quark perde energia no plasma e como essa energia volta a surgir sob a forma de partículas mais lentas, os físicos obtêm parâmetros concretos sobre:

Estes valores aperfeiçoam os modelos teóricos utilizados não apenas para descrever colisões no LHC, mas também condições presentes em estrelas de neutrões e nas fases muito iniciais do Universo.

Da matéria primordial aos átomos atuais

Ao variar parâmetros como a energia dos feixes, o tipo de ião utilizado e os critérios de seleção dos acontecimentos, os investigadores podem observar versões ligeiramente distintas do mesmo fenómeno. Isto ajuda a reconstituir, passo a passo, o arrefecimento do plasma primordial até à formação de protões, neutrões e, pouco depois, dos primeiros núcleos atómicos.

Os telescópios não conseguem observar diretamente a fase em que o Universo estava preenchido por plasma de quarks e gluões. Nesse período, o cosmos era opaco à luz. As colisões de iões pesados funcionam como uma estreita “janela experimental” para essa época, condensando numa fração de segundo uma transição que o Universo demorou microssegundos a atravessar.

Alguns conceitos importantes a conhecer

Plasma de quarks e gluões

É um estado da matéria no qual os quarks e os gluões não permanecem confinados no interior de protões e neutrões, movendo-se livremente num meio coletivo. Forma-se a temperaturas da ordem dos biliões de graus. Atualmente, não existe de forma natural, salvo talvez em zonas extremas de estrelas compactas.

Hidrodinâmica relativista

Trata-se da aplicação das leis dos fluidos a contextos em que as partículas se deslocam a velocidades próximas da velocidade da luz e os efeitos relativistas são relevantes. Neste regime, propriedades como pressão, energia e viscosidade combinam-se de forma pouco intuitiva, exigindo modelos sofisticados fortemente apoiados em simulações numéricas.

O que pode inspirar noutras áreas

Embora pareçam muito afastados do dia a dia, estes estudos têm aplicações amplas. As técnicas de análise de dados desenvolvidas para distinguir sinais de ruído de fundo no CMS, por exemplo, acabam por ser usadas em áreas como a medicina, as finanças e a climatologia, onde também é necessário interpretar rapidamente grandes volumes de dados.

Os modelos de fluidos quânticos utilizados para interpretar o plasma de quarks e gluões relacionam-se com a investigação de estados exóticos da matéria em laboratório, como superfluidos e condensados a temperaturas ultrabaixas. A comparação entre estes sistemas, apesar das escalas completamente diferentes, ajuda a testar ideias teóricas sobre a forma surpreendente como conjuntos de partículas se podem organizar quando sujeitos a condições extremas.