Uma Sopa de Universo Primordial

Mas afinal o que é um Plasma de Quarks e Glúons? Para entender isso vamos lembrar algumas coisas. Em 1911, Ernest Rutherford e dois alunos dele fizeram um experimento para entender melhor a estrutura do átomo. Eles bombardearam átomos de ouro com radiação alfa. Se o átomo fosse uma grande bola com elétrons incrustados então a radiação, que é carregada, só deveria ser desviada levemente quando se aproximasse de um elétron. Quando eles olharam os dados viram que algo assim acontecia, mas eventualmente a radiação mudava drasticamente de direção, chegando inclusive a ir na direção do feixe de radiação incidente. Com base nisso se estabeleceu que o átomo era na verdade composto de um núcleo duro, feito de prótons carregados positivamente, e uma nuvem eletrônica a sua volta. A mudança drástica de direção era a colisão da radiação com o núcleo.

Mas é claro que a gente não ficou satisfeito com isso. E os prótons e nêutrons do núcleo? Então, em 1968 foi feito um novo experimento no SLAC, um acelerador de partículas em Stanford. Nesse experimento foram arremessados elétrons com altas energias em cima do próton. Se esse fosse um caroço duro então a colisão deveria parecer com o que acontece com duas bolas de bilhar. Mas quando os elétrons tinham energia suficiente se viu que o espalhamento acontecia como se os elétrons fossem espalhados por 3 pequenas partículas muito menores que o próton. Ou seja os prótons eram feito de um novo tipo de partícula, os quarks! O mesmo vale para os nêutrons. Esses quarks são mantidos grudados uns nos outros através da força forte, que é transmitida por partículas chamadas de glúons.

Agora acabou né? Não tem mais nada pra se saber sobre o próton e o nêutron. Acontece que a cromodinâmica quântica, a teoria dos quarks e glúons, ainda contém muitas coisas que não são bem entendidas. Para entender melhor com ela funciona, desde 2000 está em operação um acelerador de íons pesados chamado RHIC, no Laboratório Nacional de Brookhaven nos EUA. Além disso nos últimos anos ele ganhou a concorrência do experimento ALICE que fica no LHC. Ambos estão explorando fenômenos associados aos quarks e glúons, em especial relacionados a época posterior ao Big Bang quando o universo era composto de uma sopa dessas partículas. Para nos explicar sobre os experimentos convidamos um colaborador de ambos, o professor Alexandre Suaide, do Instituto de Física da USP:

Professor Alexandre Suaide

Professor Alexandre Suaide

TrueSingularity: Professor, o que é o Plasma de Quarks e Gluons?

Quando a gente vai para a escola aprende, em geral, que existem três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. Com sorte, em algumas escolas, a gente aprende que tem um quarto: plasma. Na verdade, existem bem mais de uma dezena de estados da matéria, descobertos nas últimas décadas, que são importantes para a gente entender como a natureza funciona. O plasma de quarks e glúons é um desses estados. É um estado no qual a matéria está tão quente, cerca de 1 bilhão de vezes mais quente que o interior do Sol, que os prótons e nêutrons (ou os hádrons, em geral) derretem, deixam de existir. Neste caso, o plasma de quarks e glúons é uma grande sopa de, como o nome diz, quarks e glúons. Normalmente a gente não observa quarks e glúons andando por ai livremente. Isso vem de uma propriedade importante dessas partículas e das interações entre elas, chamada confinamento. No plasma o confinamento desaparece e eles são partículas livres para ir e vir. A criação de uma matéria na qual essas partículas não estão presas em hádrons foi uma grande descoberta, que ocorreu no RHIC, em 2005. A observação e estudo desse estado é importante porque durante a evolução do Universo, do Big-Bang até hoje, em um momento muito longínquo, bem próximo ao Big-Bang, a temperatura do Universo era muito alta, e o estado no qual o Universo se encontrava deveria ser muito similar ao desse plasma. Criando e estudando esse plasma nós estamos entendendo o Universo quando ainda era muito jovem.

TS: De que modo os experimentos no RHIC e o LHC funcionam?

O RHIC e LHC são dois grandes colisores. O RHIC é dedicado ao estudo da matéria nuclear, suas características e, em especial, o plasma de quarks e glúons. O LHC, além desta finalidade, tem um amplo projeto de pesquisa como a descoberta do Bóson de Higgs, dimensões múltiplas, etc. Mas o princípio de funcionamento é o mesmo. As partículas que vão colidir são agrupadas em feixes que são acelerados em energias muito elevadas. Por conta disso, adquirem velocidades próximas a da luz. Um feixe gira em sentido horário e o outro, anti-horário. Em alguns pontos esses feixes se cruzam e, neste cruzamento, podem haver colisões entre as partículas. Dependendo da espécie que colide, você estuda diferentes aspectos da natureza. No caso do plasma, é preciso colidir partículas pesadas, de modo a criar um volume extenso, que possa ser caracterizado e estudado do ponto de vista de um estado da matéria. No RHIC, colide-se núcleos de ouro. No LHC, chumbo. Isso por diferenças técnicas entre os laboratórios. Os experimentos (no meu caso o STAR, no RHIC, e o ALICE, no LHC) são montados em torno desses pontos de cruzamento. São feitos de muitos detectores de tecnologias diferentes com o intuito de observar partículas diferentes que emergem das colisões. São como uma grande máquina fotográfica digital em 3D que fotografa o que sai da colisão com elevada precisão. Os físicos são como investigadores criminais. Eles não presenciam a colisão (o crime) diretamente. A partir das observações do que sobra das colisões (as evidências) tentam montar um quebra-cabeças que nos conte o que ocorreu no momento em que as partículas dos feixes colidiram.

Colisão de íons pesados no experimento STAR no RHIC.

Colisão de íons pesados no experimento STAR no RHIC.

TS: Quais foram os principais resultados envolvendo o RHIC e o LHC até agora?

O principal foi a descoberta do plasma de quarks e glúons, no RHIC. Apesar de ter sido previsto na década de 70, levou quase trinta anos para ser observado. Mas o mais interessante foi que esse plasma tem características diferentes do que foi previsto. Inicialmente previa-se que o plasma teria um comportamento de um gás ionizado super aquecido (daí o nome plasma). Mas o que se observou é que esse plasma tem características parecidas com um líquido de baixíssima viscosidade. Um líquido perfeito. Isso é surpreendente e muda muito a nossa compreensão da matéria em condições extremas de temperatura. Pode mudar também a nossa visão de como era o Universo jovem. Em termos de resultados marcantes, podemos citar o fato de a transição de fase para esse plasma não ser de primeira ordem, como inicialmente prevista. Também a enorme supressão de jatos de partículas, que mostra o o plasma é muito opaco. Não dá para ver o seu interior com facilidade. O fato de quarks pesados e quarks leves não terem comportamento muito diferentes. Imagine você dar um tiro de revolver em uma piscina ao mesmo tempo que você lança uma pena e perceber que a bala e a pena têm comportamentos similares. Isso é intrigante. Isso para citar algumas descobertas apenas. Acho que não passamos um ano sem um grande quebra cabeças para resolver. Isso é fantástico! Agora os experimentos no RHIC e LHC, que estudam esse plasma, estão investigando em detalhes as suas características para tentar entender a matéria neste estado. Há muitos desafios experimentais e teóricos porque é um meio bem mais complexo e, principalmente, diferente do que imaginávamos. Ou seja, uma nova era foi aberta no estudo da matéria nuclear quente.

TS: Sabemos que experimentos como esses possuem inúmeros colaboradores. Qual a atuação do Brasil, em particular a sua, dentro das colaborações?

O Brasil participa em muitos aspectos diferentes destes experimento. No meu caso, faço parte do RHIC desde 2000, quando entrou em operação, e no LHC, desde 2006. O meu foco de pesquisa é o estudo de quarks pesados e jatos de partículas no plasma.  Além disso trabalho bastante na área de calorimetria, uma das muitas técnicas de medidas desses experimentos. Ajudei a construir o calorímetro eletromagnético do experimento STAR e estou envolvido com o calorímetro eletromagnético do experimento ALICE. Nosso grupo também está envolvido no projeto de novos detectores para um upgrade no experimento ALICE nos próximos anos e, mais recentemente, nos envolvemos em pesquisa na área de tecnologia de informação e processamento de dados, importantes em experimentos desse porte. É uma área que permite atuação em diferentes aspectos da ciência. Não dá para ficar entediado.

TS: O que devemos esperar para o futuro da área de íons pesados?

Essa área tem sido bastante surpreendente, pouco previsível. Isso é interessante porque o potencial para descobertas é enorme. A descoberta de um plasma bastante diferente do previsto abriu várias linhas de pesquisa  dentro da comunidade, tanto teóricas quanto experimentais. Entender esse plasma tem sido um grande desafio. Entender também como ele é formado, como é a sua vida, como ele esfria e como os quarks dentro desse plasma viram hádrons é desafiador.  É um mundo novo de uma área de pesquisa muito jovem. Há vários projetos experimentais que estão sendo discutidos na comunidade. Novos aceleradores e novos experimentos. Estamos vivendo um momento efervescente de ideias. O futuro é uma página de um livro que não foi virada. A gente tem uma grande expectativa para virar essa página porque a leitura desse livro tem sido empolgante.

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