Uma pequena amostra do universo primitivo?

Partículas vistas pelo experimento ALICE sugerem a formação de plasma de quark-gluon durante as colisões próton-próton.

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Mona Schweizer, CERN

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Sarah Charley.

Cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, o universo era uma sopa quente e espessa de quarks e glúons – os componentes fundamentais que eventualmente foram combinados em prótons, nêutrons e outros hádrons.

Os cientistas podem produzir esta sopa primitiva de partículas, chamada plasma quark-glúon, em colisões entre íons pesados. Mas, pela primeira vez, físicos em uma experiência no Grande Colisor de Hádrons observaram evidências dessas partículas em colisões entre prótons também.

O LHC colide prótons durante a maior parte de seu tempo. Este novo resultado, publicado na Nature Physics pela colaboração ALICE, desafia as antigas noções sobre a natureza dessas colisões próton-próton e sobre possíveis fenômenos que antes eram desconhecidos.

“Muitas pessoas pensam que os prótons são muito leves para produzir este plasma extremamente quente e denso”, diz Livio Bianchi, um pós-doutorado da Universidade de Houston que trabalhou nesta análise. “Mas esses novos resultados estão nos fazendo questionar essa suposição”.

Cientistas do LHC e do Colisionador Relativo de Íons Pesados ​​(RHIC) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, criaram anteriormente plasma de quark-glúon em colisões ouro-ouro e chumbo-chumbo.

No plasma de quark-glúon, os quarks de tamanho médio – como quarks estranhos – vagam livremente e eventualmente se unem em partículas maiores compostas (semelhantes à forma como cristais de quartzo crescem dentro de rochas de granito derretidas à medida que se esfriam lentamente). Estes hádrons são ejetados à medida que o plasma pula para fora e servem como uma assinatura reveladora de sua origem. Pesquisadores do ALICE observaram numerosas colisões de próton-próton emitindo hádrons estranhos a uma taxa elevada.

“Nas colisões de prótons que produziram muitas partículas, vimos mais hádrons contendo quarks estranhos do que o previsto”, diz Rene Bellwied, professor da Universidade de Houston. “E, curiosamente, vimos uma diferença ainda maior entre o número previsto e nossos resultados experimentais quando examinamos partículas contendo dois ou três quarks estranhos”.

De uma perspectiva teórica, uma proliferação de hádrons estranhos não é suficiente para confirmar definitivamente a existência de plasma de quark-glúon. Em vez disso, poderia ser o resultado de alguns outros processos desconhecidos ocorrendo na escala subatômica.

“Esse resultado é de grande interesse para pesquisadores de plasma de quark-glúon que se perguntam como uma possível assinatura QGP pode surgir em colisões próton-próton”, diz Urs Wiedemann, teórico do CERN. “Mas também é de grande interesse para os físicos de alta energia que nunca encontraram tal fenômeno em colisões próton-próton”.

Pesquisas anteriores no LHC descobriram que a orientação espacial das partículas produzidas durante algumas colisões próton-próton refletia os padrões criados durante as colisões de íons pesados, sugerindo que talvez esses dois tipos de colisões tenham mais em comum do que o previsto originalmente. Os cientistas que trabalham no experimento ALICE precisarão explorar várias características dessas estranhas colisões próton-próton antes de confirmar se realmente estão vendo uma minúscula gota do universo primitivo.

“O plasma de quark-glúon é um líquido, por isso também precisamos olhar para as características hidrodinâmicas”, diz Bianchi. “A composição das partículas que escapam não é suficiente por conta própria.”

Esta descoberta vem dos dados recolhidos da primeira execução do LHC entre 2009 e 2013. Mais pesquisas nos próximos anos ajudará cientistas a determinar se o LHC pode realmente fazer o plasma de quark-glúon nas colisões do próton-próton.

“Estamos muito entusiasmados com esta descoberta”, diz Federico Antinori, porta-voz do ALICE. “Estamos novamente aprendendo muito sobre esse estado extremo da matéria. Ser capaz de isolar os fenômenos do tipo plasma de quark-glúon em um sistema menor e mais simples, como a colisão entre dois prótons, abre uma dimensão inteiramente nova para o estudo das propriedades do estado primordial da qual o nosso universo emergiu.”

Outras experiências, como aquelas que utilizam o RHIC, fornecerão mais informações sobre os traços observáveis ​​e características experimentais de plasmas de quark-glúon em energias mais baixas, permitindo aos pesquisadores obter uma imagem mais completa das características desta sopa primordial de partículas.

“O campo faz muito mais progresso compartilhando técnicas e comparando resultados do que nós poderíamos com somente uma instalação”, diz James Dunlop, pesquisador no RHIC. “Estamos ansiosos para ver mais descobertas de nossos colegas no ALICE.”

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