Plasma de quarks e glúons pode ter sido criado em colisões de partículas mais leves

Experimento no LHC com participação brasileira encontrou sinais similares ao do plasma a partir da colisão de prótons com núcleos atômicos de chumbo. Estudos anteriores foram baseados na colisão de dois núcleos pesados

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Uma ínfima fração de segundo após o Big Bang, o universo material era constituído por um plasma composto pelas partículas elementares conhecidas como quarks e glúons. É o que propõe o chamado modelo padrão sobre a origem do Universo.

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, o hádron. Assim foram formados, por exemplo, os prótons, cada qual constituído por dois quarks do tipo up e um quark do tipo down (os dois tipos com as menores massas entre todos os quarks), interagindo por meio de glúons.

Essa situação primordial tem sido reproduzida no LHC, o Grande Colisor de Hádrons instalado no CERN, a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, na fronteira entre a França e a Suíça, e também no RHIC, o Colisor Relativístico de Íons Pesados, instalado no Brookhaven National Laboratory, nos Estados Unidos.

As primeiras detecções do plasma de quarks e glúons foram feitas a partir da colisão de dois núcleos atômicos de elementos pesados, como chumbo e ouro. Agora, a colaboração ALICE, um dos grupos internacionais de pesquisadores que atua no 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, 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 físico brasileiro Henrique Zanoli, que participa da colaboração ALICE, estudou essa colisão em seu trabalho de doutoramento e os resultados foram publicados na Physical Review Letters.

Zanoli, que atualmente faz pós-doutoramento na Universiteit Utrecht, nos Países Baixos, doutorou-se na Universidade de São Paulo, com orientação do professor Alexandre Suaide, e contou com Bolsa de Doutorado Direto e Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior (BEPE) da FAPESP.

“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”, disse Zanoli à Agência FAPESP.

Para entender a afirmação, é preciso considerar o passo a passo do processo, demonstrado graficamente pelo próprio pesquisador na imagem a seguir.

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.

“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”, disse Zanoli.

“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”, acrescentou.

Segundo Zanoli, essa produção de quarks pesados ocorreu em um momento em que a densidade de energia do sistema ainda estava extremamente alta, e sua evolução é uma interessante ferramenta para estudar a presença do plasma de quarks e glúons.

“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”, disse.

Universo primordial e objetos astrofísicos

O plasma de quarks e glúons é tema de muita pesquisa na atualidade. E isso principalmente por dois motivos. Primeiro, porque agora é possível produzir o plasma experimentalmente em colisores, como o LHC e o RHIC. Segundo, e essa é a maior motivação dos experimentos, porque possibilita compreender o Universo primordial e também o que ocorre em objetos astrofísicos, como as estrelas de nêutrons.

“A produção do plasma de quarks e glúons em laboratório se tornou possível devido à altíssima densidade de energia alcançada nos grandes colisores da atualidade”, disse Zanoli.

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.

O artigo Azimuthal Anisotropy of Heavy-Flavor Decay Electrons in p-Pb Collisions at √ sNN = 5.02 TeV pode ser lido na íntegra em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.072301.