Sopa primordial do Universo é criada em colisões de partículas leves

Com informações da Agência Fapesp - 03/07/2019

Experimento realizado no LHC e estudado por pesquisador brasileiro encontrou sinais muito similares ao do plasma a partir da colisão de prótons com núcleos atômicos de chumbo.
[Imagem: LHC/CERN]

Plasma de quarks e glúons

As primeiras detecções do plasma de quarks e glúons foram feitas em 2010 a partir da colisão de dois núcleos atômicos de elementos pesados, como chumbo e ouro no LHC, o Grande Colisor de Hádrons.

Agora, a colaboração ALICE, que coordena um dos grandes detectores do LHC, obteve uma das assinaturas características do plasma de quarks e glúons por meio da colisão de prótons com núcleos de chumbo.

Esse resultado, conseguido a partir de precursores muito mais leves do que anteriormente, foi alcançado graças ao altíssimo patamar de energia das partículas durante a colisão, de 5,02 teraelétrons-volt (5,02 TeV ou 5,02 x 10¹² elétrons-volt).

"O experimento apresentou uma anisotropia azimutal na distribuição das partículas geradas pela colisão. Isso quer dizer que as partículas resultantes da colisão não foram produzidas nas mesmas quantidades em todas as direções. O padrão de distribuição dos elétrons que observamos é característico da assinatura do plasma de quarks e glúons," explicou o físico brasileiro Henrique Zanoli, que participa da colaboração ALICE.

Produção do plasma de quarks e glúons

A imagem abaixo ilustra o que aconteceu no experimento e seus resultados.

O primeiro quadro mostra o próton (p) e o núcleo de chumbo (Pb) instantes antes da colisão. Nos momentos iniciais da colisão, são produzidos quarks pesados e, ao redor deles, forma-se o plasma de quarks e glúons, como se vê no segundo quadro.

Com a rápida queda da temperatura, o plasma se desintegra e os quarks pesados combinam-se com outros quarks para formar vários tipos de hádrons, entre eles, partículas efêmeras conhecidas como mésons D e B. É o que se vê no terceiro quadro. O quarto e último quadro mostra o decaimento dos hádrons.

[Imagem: Henrique Zanoli]

"Algumas vias de decaimento produzem elétrons. E foi justamente a anisotropia na distribuição das trajetórias dos elétrons resultantes que indicou a possível produção do plasma de quarks e glúons. Essa é uma assinatura que é associada à produção do plasma.

"O grande diferencial do experimento que estudei foi que, nele, os resultados finais da colisão permitem concluir que os quarks pesados foram produzidos na etapa inicial do processo, e não em etapas posteriores, como ocorre em outras medidas com quarks leves.

"Esses quarks pesados, que são produzidos antes do plasma e o atravessam, fornecem informações sobre o plasma, assim como uma emissão de pósitrons, que atravessa o corpo humano, fornece informações sobre esse corpo em uma tomografia. Se as partículas estudadas tivessem sido produzidas no fim do processo, essa analogia não seria válida e não poderíamos afirmar, com base no resultado final, quais são as características do plasma de quarks e glúons formado. Mas, como foram produzidos no início, os quarks pesados se tornam marcadores muito confiáveis," descreveu o pesquisador.

Universo primordial e objetos astrofísicos

O plasma de quarks e glúons é tema de muita pesquisa por dois motivos. Primeiro, porque agora é possível produzi-lo experimentalmente em colisores, como o LHC e o RHIC. Segundo, porque possibilita compreender o Universo primordial e também o que ocorre em objetos astrofísicos, como as estrelas de nêutrons.

De acordo com o chamado modelo padrão sobre a origem do Universo, numa ínfima fração de segundo após o Big Bang, o universo era constituído por um plasma composto pelas partículas elementares conhecidas como quarks e glúons. Com a rápida expansão e o consequente resfriamento, aquele meio informe e intensamente dinâmico se fragmentou e cada pequeno conjunto de quarks e glúons deu origem a uma partícula composta, os hádrons, por exemplo, os prótons.

Um patamar de 5 TeV não é tão alto quando se pensa em um objeto macroscópico, constituído por uma quantidade enorme de partículas distribuídas em um grande volume. Mas, quando se divide 5 TeV pelo volume de um próton, o resultado é uma densidade energética a que somente agora a humanidade teve acesso em escala de laboratório.

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