Em seus primeiros instantes, o universo primordial era uma sopa de quarks e glúons a um trilhão de graus de temperatura. Essas partículas elementares circulavam à velocidade da luz, criando um "plasma de quarks e glúons" que durou apenas alguns milionésimos de segundo. A massa primordial então esfriou rapidamente, e seus quarks e glúons individuais se fundiram para formar os prótons, nêutrons e outras partículas fundamentais que existem hoje.

Físicos do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, na Suíça, estão recriando o plasma de quarks e glúons (QGP) para melhor compreender os ingredientes iniciais do universo. Ao colidir íons pesados a velocidades próximas à da luz, os cientistas conseguem deslocar brevemente quarks e glúons para criar e estudar o mesmo material que existia durante os primeiros microssegundos do universo primordial.

Agora, uma equipe do CERN liderada por físicos do MIT observou sinais claros de que os quarks criam rastros à medida que se movem em alta velocidade pelo plasma, de forma semelhante a um pato deixando ondulações na água. As descobertas são a primeira evidência direta de que o plasma de quarks e glúons reage a partículas em alta velocidade como um único fluido, oscilando e respingando em resposta, em vez de se dispersar aleatoriamente como partículas individuais.

“Há um longo debate em nossa área sobre se o plasma deveria responder a um quark”, diz Yen-Jie Lee, professor de física do MIT. “Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, a ponto de ser capaz de desacelerar um quark e produzir respingos e redemoinhos como um líquido. Portanto, o plasma de quarks e glúons é realmente uma sopa primordial.”

Para observar os efeitos do rastro de um quark, Lee e seus colegas desenvolveram uma nova técnica que relatam no estudo. Eles planejam aplicar a abordagem a mais dados de colisões de partículas para identificar outros rastros de quarks. Medir o tamanho, a velocidade e a extensão desses rastros, bem como o tempo que levam para diminuir e se dissipar, pode dar aos cientistas uma ideia das propriedades do próprio plasma e de como o plasma de quarks e glúons pode ter se comportado nos primeiros microssegundos do universo.

“Estudar como os rastros dos quarks ricocheteiam nos dará novas informações sobre as propriedades do plasma de quarks e glúons”, diz Lee. “Com este experimento, estamos tirando uma foto instantânea dessa sopa primordial de quarks.”

Os coautores do estudo são membros da Colaboração CMS — uma equipe de físicos de partículas de todo o mundo que trabalham juntos para realizar e analisar dados do experimento Compact Muon Solenoid (CMS), um dos detectores de partículas de uso geral do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN. O experimento CMS foi usado para detectar sinais de efeitos de esteira de quarks neste estudo. O estudo, de acesso aberto, foi publicado na revista Physics Letters B.

O plasma de quarks e glúons é o primeiro líquido a ter existido no universo. É também o líquido mais quente já encontrado, pois os cientistas estimam que, durante sua breve existência, o plasma de quarks e glúons atingiu temperaturas de alguns trilhões de graus Celsius. Acredita-se também que esse caldo fervente tenha sido um líquido quase "perfeito", o que significa que os quarks e glúons individuais no plasma fluíam juntos como um fluido homogêneo e sem atrito.

Esta imagem do QGP baseia-se em muitos experimentos independentes e modelos teóricos. Um desses modelos, desenvolvido por Krishna Rajagopal, professor de Física William AM Burden no MIT, e seus colaboradores, prevê que o plasma de quarks e glúons deve responder como um fluido a quaisquer partículas que o atravessem em alta velocidade. Sua teoria, conhecida como modelo híbrido, sugere que, quando um jato de quarks atravessa o QGP, ele produz um rastro atrás de si, induzindo o plasma a ondular e espirrar em resposta.

Os físicos têm procurado por esses efeitos de esteira em experimentos no Grande Colisor de Hádrons e em outros aceleradores de partículas de alta energia. Esses experimentos aceleram íons pesados, como o chumbo, a velocidades próximas à da luz, momento em que colidem e produzem uma gota efêmera de sopa primordial, que geralmente dura menos de um quatrilionésimo de segundo. Os cientistas essencialmente capturam um instantâneo desse momento para tentar identificar características do Gás Primordial Quântico (GQQ).

Para identificar rastros de quarks, os físicos procuram pares de quarks e “antiquarks” — partículas idênticas aos seus correspondentes quarks, exceto pelo fato de que certas propriedades são iguais em magnitude, mas opostas em sinal. Por exemplo, quando um quark está se movendo rapidamente através do plasma, é provável que haja um antiquark viajando exatamente na mesma velocidade, mas na direção oposta.

Por essa razão, os físicos têm procurado pares de quarks/antiquarks no QGP produzido em colisões de íons pesados, partindo do pressuposto de que as partículas poderiam produzir rastros idênticos e detectáveis através do plasma.

“Quando dois quarks são produzidos, o problema é que, quando os dois quarks seguem em direções opostas, um quark ofusca o rastro do segundo quark”, diz Lee.

Ele e seus colegas perceberam que procurar o rastro do primeiro quark seria mais fácil se não houvesse um segundo quark obscurecendo seus efeitos.

“Descobrimos uma nova técnica que nos permite observar os efeitos de um único quark no QGP, através de um par diferente de partículas”, diz Lee.

Em vez de procurar pares de quarks e antiquarks após colisões de íons de chumbo, a equipe de Lee buscou eventos com apenas um quark se movendo pelo plasma, essencialmente em contato direto com um "bóson Z". O bóson Z é uma partícula elementar neutra e eletricamente fraca que praticamente não tem efeito sobre o ambiente ao seu redor. No entanto, como existem em uma energia muito específica, os bósons Z são relativamente fáceis de detectar.

Em uma colisão desse tipo, as duas partículas deveriam se chocar e serem lançadas em direções exatamente opostas. Embora o quark pudesse deixar um rastro, o bóson Z não teria efeito algum sobre o plasma circundante. Quaisquer ondulações observadas na gota de sopa primordial teriam sido causadas inteiramente pelo quark que a atravessou.

A equipe, em colaboração com o grupo do Professor Yi Chen na Universidade Vanderbilt, concluiu que poderia usar os bósons Z como uma "marca" para localizar e rastrear os efeitos de rastro de quarks individuais. Para o novo estudo, os pesquisadores analisaram dados dos experimentos de colisão de íons pesados do Grande Colisor de Hádrons (LHC). De 13 bilhões de colisões, eles identificaram cerca de 2.000 eventos que produziram um bóson Z. Para cada um desses eventos, mapearam as energias em todo o plasma de quarks e glúons de curta duração e observaram consistentemente um padrão fluido de respingos em redemoinhos — um efeito de rastro — na direção oposta à dos bósons Z, o que a equipe pôde atribuir diretamente ao efeito de quarks individuais atravessando o plasma em alta velocidade.

Além disso, os físicos descobriram que os efeitos de esteira observados nos dados eram consistentes com o que o modelo híbrido de Rajagopal prevê. Em outras palavras, o plasma de quarks e glúons de fato flui e ondula como um fluido quando as partículas o atravessam em alta velocidade.

“Isso é algo que muitos de nós argumentamos que deve estar presente há muitos anos, e que muitos experimentos têm procurado”, diz Rajagopal, que não esteve diretamente envolvido no novo estudo.

“O que Yen-Jie e o CMS fizeram foi conceber e executar uma medição que trouxe a eles e a nós a primeira evidência limpa, clara e inequívoca desse fenômeno fundamental”, diz Daniel Pablos, professor de física da Universidade de Oviedo, na Espanha, e colaborador de Rajagopal, que não participou do estudo atual.

“Obtivemos a primeira evidência direta de que o quark realmente arrasta mais plasma consigo à medida que viaja”, acrescenta Lee. “Isso nos permitirá estudar as propriedades e o comportamento desse fluido exótico com detalhes sem precedentes.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.