Quark-gluon Plasma em laboratório

Quark-gluon plasma produzido devido a colisão de íons de chumbo. Créditos: Nat. Phys. 16, 615–619 (2020).

Uma análise de dados do experimento ALICE no LHC (Grande Colisor de Hádrons) feita pelo físico Fernando Gardim (Universidade de Alfenas) e colaboradores confirma a criação do quark-gluon plasma, um estado exótico da matéria encontrado no começo do universo e em núcleos de estrelas de nêutrons. O estudo foi publicado em março na revista Nature Physics.

Como sabemos, a matéria é formada por prótons e nêutrons, mas estas não são partículas elementares, pois são compostas de quarks. Em geral, não vemos quarks livres na natureza, pois quando tentamos separá-los acabamos criando mais partículas de forma que os quarks estão sempre confinados. Porém, se a temperatura for muito alta, podemos ter uma mudança de fase e criar o chamado quark-gluon plasma, onde quarks estão livres em um fluido ultra energético.

Experimentos como o ALICE tentam criar o quark-gluon plasma através de colisões de íons pesados, como por exemplo o chumbo. Já se desconfia há algum tempo que nestes experimentos surja este famoso estado da matéria, porém não era possível confirmar com toda a certeza.

Gardim e seus colegas usaram uma teoria conhecida como hidrodinâmica relativística para realizar uma série de previsões e compará-las com os dados experimentais. Conseguiram com isso encontrar uma relação única entre o momento médio das partículas e a temperatura do sistema, também encontraram uma relação entre o número de partículas produzidas e a densidade de entropia. Assim é possível medir de forma indireta estas grandezas termodinâmicas importantes e compará-las com previsões da cromodinâmica quântica, teoria que descreve as interações nucleares fortes.

Isto possibilitou concluir que as colisões chumbo-chumbo produziram uma quark-gluon plasma em uma temperatura de 2.6 trilhões de kelvins, ou seja, uma temperatura 500 milhões de vezes maior que a da superfície do Sol!

Entender o comportamento das partículas neste estado da matéria em altíssimas temperaturas é importante para entender melhor a Física das estrelas de nêutrons, um dos objetos mais densos do universo (perdendo somente para buracos negros). Além disso, descobertas nesta área são importantes para a cosmologia pois no universo primordial tínhamos uma temperatura tão alta que a matéria deveria estar neste estado e isto pode influenciar a história do universo.

Com a possibilidade de criar o plasma em laboratório poderemos ter grandes avanços na Física de Altas Energias, pois os outros exemplos citados (universo primordial e estrelas de nêutrons) não são acessíveis experimentalmente. Será que finalmente entenderemos como o universo evoluiu do Big Bang até o presente?

Referências e Saiba mais:

[1] Estudo termodinâmico confirma plasma de quarks e glúons no LHC. Sociedade Brasileira de Física

[2] Thermodynamics of hot strong-interaction matter from ultrarelativistic nuclear collisions. Nature Physics

[3] [Destaque em Física] Estudo termodinâmico confirma plasma de quarks e glúons no LHC. Vídeo sobre o estudo com o Prof. Gardim para o canal da Sociedade Brasileira de Física.