Visualização de gotas em expansão de plasmas de quarks e glúons em três formas geométricas. (Crédito: Javier Orjuela Koop)
Pesquisadores criaram minúsculas gotículas de matéria ultra-quente que antes preenchiam o universo primitivo, formando três formas e tamanhos distintos: círculos, elipses e triângulos.
O estudo, publicado hoje na Nature Physics , deriva do trabalho de uma equipe internacional de cientistas e se concentra em um estado líquido de matéria chamado plasma de glúons de quarks. Os físicos acreditam que este assunto preencheu todo o universo durante os primeiros microssegundos após o Big Bang, quando o universo ainda estava quente demais para que as partículas se juntassem para produzir átomos.
O professor da CU Boulder Jamie Nagle e seus colegas da Universidade Vanderbilt colaboraram com o experimento conhecido como PHENIX e usaram um colisor enorme no Brookhaven National Laboratory em Upton, Nova York, para recriar esse plasma. Em uma série de testes, os pesquisadores destruíram pacotes de prótons e nêutrons em diferentes combinações em núcleos atômicos muito maiores.
Eles descobriram que, controlando cuidadosamente as condições, poderiam gerar gotículas de plasma de quarks e glúons que se expandiram para formar três padrões geométricos diferentes.
As descobertas fornecem a evidência mais forte até o momento de que essas gotas minúsculas se comportam como um fluido. Isso é algo que os cientistas já haviam pensado que era impossível, disse Nagle.
"Nosso resultado experimental nos aproximou muito mais da questão sobre qual é a menor quantidade de matéria inicial do universo que pode existir", disse Nagle, do Departamento de Física . Ele propôs este conjunto de experimentos em 2014 junto com seus colegas.
Gráfico mostrando como as colisões atômicas entre os diferentes ingredientes iniciais se expandem com o tempo para produzir plasmas em formas distintas. A colisão de topo foi gerada ao bater um único próton em um átomo de ouro; o meio de uma colisão entre um deutério e um átomo de ouro; e o fundo de uma colisão entre hélio-3 e um átomo de ouro. (Crédito: PHENIX, Nature 2018)
Fluido perfeito
Os cientistas começaram a estudar esse assunto no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) de Brookhaven em 2000. Eles colidiram com os núcleos pesados de átomos de ouro, gerando temperaturas de trilhões de graus Celsius. Na fervura resultante, quarks e glúons, as partículas subatômicas que compõem todos os prótons e nêutrons, libertaram-se de suas cadeias atômicas e fluíram quase livremente.
Esse estado de matéria de curta duração, que os teóricos acreditam que imita condições vistas logo após o Big Bang, provavelmente se comporta como um "fluido perfeito", disse Paul Romatschke, professor de física da CU Boulder.
"Se você pudesse ter uma garrafa deste líquido em sua mesa", disse Romatschke, "e você fosse dar uma gorjeta e passar por um obstáculo, ele o faria com quase nenhum atrito".
Vários anos depois, um conjunto de experimentos no Large Hadron Collider, em Genebra, na Suíça, provocou um choque nos teóricos: os pesquisadores relataram que eles pareciam ter criado um plasma de quark gluon não batendo juntos dois átomos, mas colidindo juntos apenas dois prótons .
Isso foi surpreendente porque a maioria dos cientistas supunha que os prótons solitários não podiam fornecer energia suficiente para produzir algo que pudesse fluir como um fluido.
Ondulações líquidas
Nagle, Romatschke e seus colegas criaram uma maneira de testar a ideia em 2014: se essas gotas minúsculas estavam se comportando como líquidos, então elas deveriam manter sua forma.
Como Nagle explicou: “Imagine que você tem duas gotículas que estão se expandindo em um vácuo. Se as duas gotículas estão realmente juntas, quando elas estão se expandindo, elas se chocam e se empurram umas contra as outras, e é isso que cria esse padrão ”.
Em outras palavras, se você jogar duas pedras em uma lagoa juntas, as ondulações desses impactos fluirão uma para a outra, formando um padrão que se assemelha a uma elipse. O mesmo poderia ser verdade se você quebrasse um par de prótons e nêutrons, chamado de deutério, em algo maior, segundo Nagle e Romatschke. Da mesma forma, um trio próton-próton-nêutron, também conhecido como átomo de hélio-3, pode se expandir em algo semelhante a um triângulo.
E é exatamente isso que o experimento PHENIX descobriu: colisões de deutons formaram elipses de curta duração, átomos de hélio-3 formaram triângulos e um único próton explodiu na forma de um círculo.
Os resultados, segundo os pesquisadores, poderiam ajudar os teóricos a entender melhor como o plasma de glúons de quark original do universo esfriou por milissegundos, dando origem aos primeiros átomos existentes.
Um experimento de próxima geração chamado sPHENIX está sendo construído agora, com a liderança de pesquisadores da CU Boulder, para explorar plasmas de glúons de quarks em escalas de menor comprimento.
O novo estudo inclui co-autores de 65 instituições. Os co-autores da CU Boulder incluem os pesquisadores de pós-doutorado Ron Belmont e Darren McGlinchey e o estudante de pós-graduação Javier Orjeula-Koop, todos em física.
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