As descobertas surgem um ano após as primeiras colisões de oxigênio no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Todas as quatro principais colaborações de investigação do colisor, ALICE, ATLAS, CMS e LHCb, relataram agora sinais de que esta forma primordial de matéria pode emergir quando núcleos de oxigénio e néon colidem.
As descobertas surgem um ano após as primeiras colisões de oxigênio no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Todas as quatro principais colaborações de investigação do colisor, ALICE, ATLAS, CMS e LHCb, relataram agora sinais de que esta forma primordial de matéria pode emergir quando núcleos de oxigénio e néon colidem.
Os resultados desafiam uma suposição de longa data sobre as enormes forças necessárias para criar uma substância tão extrema. Oferecem também aos cientistas uma nova forma de investigar as condições que prevaleceram durante os primeiros momentos do Universo.
Recriando a Matéria Extrema do Universo Primitivo
O plasma de quark-gluon (QGP) é um estado incomum da matéria que aparece sob tremenda pressão e calor. A temperaturas superiores a 100.000 vezes as do centro do Sol, partículas como protões e neutrões já não conseguem manter a sua estrutura normal. Em vez disso, eles se dividem em quarks e glúons que normalmente os unem.
Os físicos acreditam que este era o estado da matéria em todo o universo durante os primeiros milionésimos de segundo após o Big Bang. Quase 14 mil milhões de anos mais tarde, os investigadores podem recriar brevemente estas condições extraordinárias, colidindo núcleos atómicos com energias extremamente elevadas no interior do LHC.
Durante décadas, os cientistas acreditaram que a geração deste plasma exigia colisões envolvendo núcleos atômicos muito pesados, especialmente chumbo. Os núcleos de chumbo são mais de 200 vezes mais pesados que os prótons normalmente usados em experimentos do LHC, tornando-os capazes de produzir as condições intensas consideradas necessárias para a formação do QGP.
No entanto, descobertas recentes têm questionado cada vez mais essa suposição.
No início deste ano, a colaboração ALICE, especializada no estudo do plasma quark-glúon, identificou outra indicação da formação de QGP em colisões próton-próton e próton-chumbo. No ano anterior, os pesquisadores do LHC também relataram os primeiros indícios deste plasma emergindo de colisões oxigênio-oxigênio.
Agora, investigações mais detalhadas revelaram múltiplos sinais de que o QGP pode formar-se em colisões envolvendo núcleos de oxigénio e néon, fornecendo provas mais fortes de que as condições necessárias para criar esta matéria primordial não estão limitadas a colisões atómicas pesadas.
Cientistas detectam evidências de perda de energia em colisões extremas
Uma das maneiras mais claras de identificar o plasma quark-glúon é examinar o que acontece quando quarks e glúons energéticos viajam através dele.
À medida que essas partículas se movem através do material extremamente quente e denso, elas perdem parte de sua energia. Os cientistas chamam esse processo de perda de energia e fornece uma pista importante de que o QGP se formou.
A colaboração ATLAS detectou claramente este efeito ao estudar pares de jatos de partículas gerados durante colisões oxigênio-oxigênio e néon-néon. Esses jatos são fluxos concentrados de partículas produzidos quando quarks e glúons energéticos emergem de uma colisão.
Os investigadores observaram diferenças de energia entre os jatos emparelhados, indicando que algumas das partículas perderam energia enquanto viajavam através do material circundante.
O efeito foi especialmente pronunciado durante colisões frontais (centrais) mais diretas. Espera-se que tais impactos criem um volume maior de plasma, dando às partículas mais material para viajar e causando maior perda de energia.
Os resultados preliminares do ATLAS fornecem suporte adicional para esta interpretação. Ao examinar partículas carregadas que recuam na direção oposta aos fótons, os pesquisadores descobriram uma relação semelhante entre a perda de energia e o quão centralmente os núcleos colidiram.
Vários experimentos do CERN confirmam o padrão
As colaborações ALICE, CMS e LHCb procuraram o mesmo processo subjacente utilizando uma abordagem diferente. Em vez de se concentrarem principalmente na energia dos jatos de partículas, eles examinaram como o plasma parece reduzir a produção de certas partículas energéticas.
O CMS descobriu que a produção de partículas carregadas foi suprimida nas colisões oxigênio-oxigênio e néon-néon em comparação com as colisões próton-próton. Esta redução é consistente com a perda de energia das partículas dentro do plasma de quark-glúon e fornece mais evidências de que o material exótico pode se formar em colisões envolvendo núcleos mais leves.
O LHCb relatou outra pista importante em um estudo separado. A colaboração investigou partículas contendo um quark charme e um quark mais leve, comparando a intensidade com que a sua produção foi suprimida em colisões de oxigénio e néon.
A supressão foi mais pronunciada nas colisões de néon mais pesadas. Esse é precisamente o tipo de comportamento que os cientistas esperariam se colisões maiores produzissem maiores volumes de plasma, fazendo com que as partículas perdessem mais energia à medida que passam por ele.
No entanto, a produção reduzida de partículas não prova necessariamente que a perda de energia seja a responsável. Outros processos físicos poderiam potencialmente produzir efeitos semelhantes.
Para investigar esta possibilidade, ALICE comparou a produção de píons neutros, outro tipo de partícula subatômica, em colisões oxigênio-oxigênio e próton-oxigênio.
A comparação forneceu evidências inequívocas de perda de energia do párton em colisões oxigênio-oxigênio, reforçando o argumento de que mesmo colisões nucleares relativamente pequenas podem gerar condições associadas ao plasma quark-glúon.
Mais pistas emergem de partículas subatômicas exóticas
Os investigadores também procuraram outra assinatura distinta do QGP envolvendo partículas feitas de um quark pesado e do seu antiquark correspondente.
Esses pares podem se unir brevemente após colisões de alta energia. Alguns estão mais fortemente ligados do que outros, tornando-os diferentemente suscetíveis à ruptura pelo plasma circundante.
Ao examinar quais estados ligados são suprimidos e em que quantidade, os físicos podem reunir evidências adicionais sobre se o QGP está presente.
A colaboração CMS encontrou evidências desta supressão variável em partículas chamadas mésons upsilon, que consistem num quark bottom emparelhado com o seu antiquark. Os pesquisadores identificaram o efeito comparando colisões oxigênio-oxigênio e néon-néon.
O LHCb também relatou evidências preliminares de comportamento semelhante, desta vez usando dados de colisões próton-oxigênio e oxigênio-oxigênio.
Juntas, estas observações acrescentam mais uma peça ao crescente corpo de evidências de que o plasma primordial pode emergir em colisões nucleares muito menores do que aquelas tradicionalmente usadas para estudá-lo.
Padrões inesperados de partículas oferecem outra dica
A colaboração ALICE identificou ainda outra possível assinatura do plasma quark-glúon, desta vez envolvendo as direções nas quais as partículas viajam após uma colisão.
Em descobertas preliminares, os investigadores observaram que partículas contendo três quarks (bárions) mostraram uma preferência mais forte por certas direcções do que partículas compostas por dois quarks (mésons) durante colisões oxigénio-oxigénio.
Este comportamento é conhecido como fluxo anisotrópico. Em vez de se espalharem uniformemente em todas as direções, as partículas emergem em padrões influenciados pelas condições internas do material criadas durante a colisão.
A principal explicação envolve a formação do QGP. Quando partículas com momentos intermediários emergem deste plasma, elas podem herdar o movimento coletivo dos quarks que as compõem.
Como os bárions contêm três quarks enquanto os mésons contêm apenas dois, os bárions podem herdar mais deste fluxo, produzindo a diferença observada na experiência.
Este padrão distinto fornece outra indicação potencial de que a matéria extrema do Universo primitivo está a ser recriada em colisões de oxigénio.
Uma nova janela para os primeiros momentos do universo
Os cientistas continuam a analisar dados de colisões envolvendo núcleos atômicos mais leves, em busca de evidências adicionais de como o plasma de quark-glúon se forma e se comporta.
As descobertas estão remodelando a compreensão das condições necessárias para produzir um dos estados mais extremos da matéria conhecidos pela física. O que antes parecia exigir colisões entre núcleos massivos pode agora ser investigado através de sistemas muito mais pequenos, dando aos investigadores novas oportunidades para explorar o comportamento da matéria sob condições extraordinárias.
Enquanto isso, o CERN está atualizando o Large Hadron Collider para o mais poderoso LHC de alta luminosidade. O acelerador aprimorado permitirá aos cientistas coletar substancialmente mais dados de colisão e investigar as propriedades do plasma de quark-glúon com mais detalhes.
A cada nova descoberta, os investigadores obtêm uma imagem mais clara do notável estado da matéria que dominou o Universo durante os seus primeiros momentos fugazes após o Big Bang.
Fonte: ScienceDaily
