Os resultados, publicados na Physical Review Letters , sugerem que os cientistas observaram uma parte de uma assinatura fundamental de um "ponto crítico". Esse é um ponto único no "mapa" de fases nucleares que marca uma mudança na maneira como quarks e glúons, os blocos de construção de prótons e nêutrons, fazem a transição de uma fase da matéria para outra.

Descobrir o ponto crítico tem sido um objetivo central da pesquisa no RHIC, uma instalação do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisa em física nuclear no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE. Assim como os esforços centenários para mapear as fases sólida, líquida e gasosa de substâncias como a água, é considerado essencial para a compreensão e descrição completas do plasma de quarks e glúons.

Essa forma única de matéria nuclear é gerada pelas colisões nucleares mais energéticas do RHIC, que efetivamente "derretem" os prótons e nêutrons que compõem os íons de ouro em colisão, liberando brevemente seus blocos de construção mais internos para formar um estado fluido quase perfeito que outrora preencheu nosso universo primitivo.

Os novos resultados reforçam a confiança do STAR em indícios instigantes anteriores de um ponto crítico — uma transição na forma como essa fusão ocorre, dependendo da temperatura e da densidade da matéria nuclear. Mas os cientistas não estão prontos para declarar a descoberta até que outra parte da assinatura fundamental se revele — possivelmente em dados do STAR ainda a serem analisados.

"Desde as últimas descobertas, o STAR realizou uma enorme coleta de conjuntos de dados usando diversos componentes de detectores novos e atualizados, o que nos permitiu rastrear mais partículas em áreas mais amplas dentro do detector do que nunca", disse Ashish Pandav, colaborador do STAR no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) e um dos líderes do esforço de análise. "Além disso, a equipe do acelerador do RHIC implementou técnicas inovadoras para aumentar as taxas de colisão mesmo em baixas energias."

Com essas melhorias no detector e no acelerador, a equipe do STAR coletou um volume sem precedentes de dados de alta precisão em uma gama de energias de colisão. "Essas medições nos permitem observar desvios ou padrões muito sutis nos dados", disse Pandav.

O Berkeley Lab desempenhou um papel central no STAR (Rastreador Solenoidal do RHIC) desde o início do projeto. Os engenheiros do laboratório lideraram o projeto e a construção do sistema de rastreamento primário do detector, a câmara de projeção de tempo (TPC). A equipe também desempenhou um papel importante na construção das novas seções internas da TPC (iTPC), que expandiram significativamente a sensibilidade do detector e os dados utilizados na nova medição. E o programa Beam Energy Scan, que colide íons de ouro em diferentes energias no RHIC, foi concebido no Berkeley Lab em 2004.

"Os cientistas do Laboratório de Berkeley têm sido uma força motriz por trás dos programas de Varredura de Energia de Feixe no RHIC nas últimas duas décadas", disse Xin Dong, cientista do Laboratório de Berkeley que trabalha no experimento STAR. "Estamos impulsionando tanto o experimento quanto a teoria porque queremos entender os átomos e o nosso universo primordial em um nível realmente fundamental."

Cientistas da Divisão de Ciência Nuclear do laboratório também contribuíram com insights teóricos, e grandes quantidades de dados de colisão e simulação foram processados usando a instalação de supercomputação do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do laboratório.

"Os novos dados do STAR já despertaram grande entusiasmo na comunidade teórica", disse Volker Koch, teórico nuclear do Laboratório Berkeley. "Agora cabe aos teóricos juntar os ingredientes e entender como os dados podem nos dizer sobre a estrutura de fase em interações fortes."

"Encontrar o ponto crítico seria um marco no diagrama de fases nucleares", disse Xiaofeng Luo, colaborador do STAR da Universidade Normal da China Central e um dos líderes da análise. "Seria um marco fundamental na nossa compreensão de como a matéria se comporta sob condições extremas — desde o nascimento do universo até os núcleos das estrelas de nêutrons."

Para encontrar evidências de um ponto crítico, os cientistas buscam sinais de flutuações no número de prótons que emergem das colisões, evento por evento. Assim como a turbulência que os passageiros de um avião experimentam quando um avião entra em uma nuvem, tais flutuações são esperadas à medida que as condições criadas nas colisões se aproximam do ponto crítico.

Mas os sinais de flutuações no ambiente nuclear não são tão óbvios quanto bebidas e salgadinhos ricocheteando nas bandejas dos encostos dos assentos de um avião. Para "enxergá-los", os cientistas precisam ir além da simples contagem de prótons produzidos em colisões, buscando análises estatísticas de "ordem superior" que descrevam aspectos de como essas contagens são distribuídas.

Essas ordens estatísticas superiores incluem, por exemplo, a dispersão dos valores, se eles são distorcidos de uma forma ou de outra em relação ao valor central e quão nítidos ou amplos são os picos e as caudas quando os pontos de dados são plotados em um gráfico.

"Quanto maior a ordem, mais sutis serão as propriedades do formato da distribuição, e maior será a precisão necessária para conseguir ver essas propriedades", disse Mikhail Stephanov, um teórico nuclear da Universidade de Illinois em Chicago que fez previsões sobre o que os cientistas do STAR deveriam observar.

Os experimentos medem essas propriedades de flutuação em diferentes energias de colisão, observou Stephanov. Em matéria sem ponto crítico, ele explicou que se espera que esses valores de ordem superior permaneçam estáveis ou mudem em apenas uma direção, aumentando ou diminuindo, por exemplo, à medida que a energia de colisão diminui.

Mas se houver um ponto crítico, os cálculos teóricos de Stephanov preveem que o valor de nitidez do pico/cauda — mais formalmente conhecido como "curtose" — deve primeiro cair, depois virar e subir acima de sua linha de base e, então, cair novamente.

Assim como a fronteira entre sistemas climáticos distintos que podem desencadear tal turbulência, o ponto crítico pode ser pensado como uma "frente" entre duas maneiras distintas pelas quais a matéria nuclear se funde em quarks e glúons.

Na analogia do avião, é improvável que os passageiros notem a mudança na análise estatística de ordem superior da turbulência.

"É muito sutil", observou Stephanov. "É preciso um instrumento especial para detectar essa mudança."

Mas o detector STAR é um instrumento verdadeiramente sensível. Em seus dados mais recentes sobre a produção de prótons, ele agora apresenta as indicações mais fortes até o momento de pelo menos algumas das mudanças de curtose previstas.

Quando comparado com as expectativas de base se não houvesse um ponto crítico, "vemos um mínimo claro e proeminente nos dados de curtose em uma energia de colisão de íons de ouro RHIC em torno de 20 bilhões de elétron-volts (GeV)", disse Pandav.

À medida que a energia de colisão diminui ainda mais, os valores de curtose aumentam novamente e retornam a ficar exatamente dentro da faixa de referência, em 7,7 GeV. Essa queda e o subsequente aumento, em relação a vários cálculos de referência derivados por teóricos, podem representar metade da assinatura esperada de um ponto crítico. "Dependendo do valor de referência utilizado, isso se situa em um nível de dois a cinco sigma — uma faixa estatisticamente significativa", disse Pandav.

Mas o que acontece abaixo desse nível de energia de 7,7 GeV? O STAR já publicou um ponto de dados adicional de colisões com alvos fixos a 3 GeV. O valor da curtose do próton nessa energia parece cair ligeiramente abaixo do seu valor de 7,7 GeV, mas ainda dentro da faixa dos valores de referência.

"Ainda há uma grande lacuna entre 7,7 e 3 GeV", disse Stephanov. O valor da curtose sobe acima de sua linha de base e depois diminui novamente, como prevê a assinatura teórica? O STAR será capaz de responder pelo menos parte dessa questão com dados adicionais de colisões de baixa energia com alvos fixos já disponíveis.

"Isso vai surgir muito em breve; está na lista de tarefas do STAR", disse ShinIchi Esumi, um colaborador do STAR da Universidade de Tsukuba e outro líder da análise.

"Esses resultados refletem mais de 15 anos de esforço global contínuo para mapear com precisão o diagrama de fases nucleares", disse Bedangadas Mohanty, do Instituto Nacional de Educação e Pesquisa Científica da Índia. Mohanty é um ex-pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab e desempenhou um papel fundamental na criação do programa Beam Energy Scan.

A equipe STAR também está ansiosa por mais refinamentos na teoria que descreve as assinaturas previstas para o ponto crítico.

"Até agora, as assinaturas são o que se esperaria de um ponto crítico, pelo menos a parte que podemos ver, mas ainda precisamos entender melhor como um ponto crítico produz tais assinaturas", disse Stephanov. "E, como teórico, eu diria que ainda há trabalho a ser feito para quantificar melhor as assinaturas esperadas."

"Finalmente", observou ele, "gostaríamos de traduzir as assinaturas que vemos em propriedades do diagrama de fases nucleares — o 'mapa' de como as fases da matéria nuclear mudam com a variação de temperatura e densidade bariônica. Mas primeiro precisamos ter certeza de que estamos convencidos de que o ponto crítico está lá."

O esforço que culminou nesta análise da Colaboração STAR contou com o apoio de um grupo de cientistas de instituições do mundo todo, que se reuniam regularmente duas vezes por semana, em diferentes fusos horários, para revisar e examinar os resultados. Essas conquistas foram possíveis graças à dedicação e ao apoio constantes de toda a Colaboração STAR. A operação especializada do RHIC pela equipe do Departamento de Colisores-Aceleradores do Laboratório Brookhaven foi fundamental para fornecer os dados de alta qualidade utilizados neste estudo.