Na primeira fração de segundo após o Big Bang, a matéria existia como um plasma de quarks e glúons a um trilhão de graus — partículas subatômicas que circulavam a velocidades próximas à da luz. Essa sopa turbulenta durou apenas alguns microssegundos, antes que as partículas se coalescessem em prótons e nêutrons mais estáveis. 

Para estudar esse fluido primordial, os cientistas recriam o plasma de quarks e glúons em grandes aceleradores de partículas, onde os íons são colididos a velocidades próximas à da luz. Essas colisões criam gotículas de plasma aproximadamente do tamanho de um núcleo atômico, que existem por apenas dezenas de septilionésimos de segundo.

Uma das maneiras pelas quais os cientistas estudam esse plasma é rastreando outras partículas, como quarks pesados, que não fazem parte do plasma, mas que se movem através dele. A forma como uma partícula pesada se move através de um fluido deve revelar algo sobre a estrutura microscópica do próprio fluido. Essa relação geral foi estabelecida de forma notável pelo físico Albert Einstein em 1905. 

Mas em condições tão extremas, onde as partículas se movem a velocidades próximas à da luz, algo na teoria de Einstein começa a falhar; existem interações dentro do plasma que a teoria não consegue capturar completamente.

Agora, físicos do MIT e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB) retomaram o trabalho iniciado por Einstein. Eles desenvolveram uma teoria que prevê como uma partícula relativística, movendo-se a uma velocidade próxima à da luz, provavelmente será empurrada e puxada por um fluido enquanto o atravessa. 

Os pesquisadores preveem que a nova teoria poderá ser aplicada para prever como um quark pesado se moverá através do plasma de quarks e glúons. Essas previsões poderão então ser comparadas a experimentos para caracterizar a estrutura microscópica do plasma de quarks e glúons e que tipo de fluido deve ter existido nos primeiros instantes do universo.

“Nosso resultado revela uma nova fonte de informação carregada por quarks pesados em mudanças raras e excepcionalmente grandes em seu movimento”, diz Jean Du Plessis, estudante de pós-graduação no Centro de Física Teórica do MIT – um Instituto Leinweber. “A frequência com que essas grandes mudanças ocorrem depende da natureza microscópica do plasma, o que levanta a possibilidade de que elas possam fornecer uma nova maneira de aprender como o plasma de quarks e glúons realmente é por dentro.”

Du Plessis e Bruno Scheihing-Hitschfeld, do Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB, relatam suas descobertas hoje na revista Physical Review Letters . 

Em 1905, Einstein desenvolveu uma teoria para descrever o movimento de uma partícula em um fluido e como esse movimento pode revelar a estrutura microscópica do fluido. Sua teoria foi inspirada pelo botânico Robert Brown. Em 1827, Brown observou um fenômeno surpreendente: grãos de pólen pareciam vibrar e girar aleatoriamente quando suspensos em água aparentemente parada. Essa curiosa oscilação de partículas em um fluido foi posteriormente denominada "movimento browniano". 

A teoria de Einstein, de 1905, demonstrou que o movimento browniano era produto de forças microscópicas invisíveis dentro do fluido. O movimento de uma partícula é um equilíbrio entre o arrasto que o fluido exerce sobre ela, desacelerando-a, e os impulsos aleatórios dentro do fluido que mantêm a partícula em movimento. Esses impulsos aleatórios, argumentou Einstein, devem provir de forças microscópicas dentro do fluido, exercidas pelos próprios átomos e moléculas que o compõem. A energia dessas partículas microscópicas pode se somar, impulsionando e deslocando partículas maiores. 

Desde que publicou sua teoria pela primeira vez, os cientistas têm aplicado a explicação de Einstein sobre o movimento browniano para caracterizar uma série de fluidos, incluindo o plasma de quarks e glúons. Como na maioria dos outros fluidos, assumia-se que uma partícula se movendo através do plasma de quarks e glúons deveria experimentar um equilíbrio semelhante de impulsos microscópicos como um grão de pólen se movendo na água. 

Esse equilíbrio é representado por uma distribuição de probabilidade em forma de sino, onde uma partícula tem maior probabilidade de experimentar forças médias de impacto (o ponto mais alto do sino) e uma probabilidade igualmente baixa de sofrer os impactos mais extremos (as extremidades do sino), à medida que a partícula se move e eventualmente se acomoda em um fluido. 

“Einstein mostrou que o arrasto e os impulsos aleatórios devem se equilibrar da maneira exata para que uma partícula eventualmente atinja a mesma temperatura do meio circundante”, explica Du Plessis. “Para os tipos de fluidos que ele tinha em mente, ele estava certo. Mas para partículas que se movem a velocidades relativísticas, essa relação deixa de existir. E sabemos há 20 anos que algo está faltando. Portanto, precisamos ir além do trabalho que Einstein realizou.”

Em seu novo estudo, Du Plessis e Scheihing-Hitschfeld calcularam as forças que um quark pesado provavelmente experimentaria se viajasse através de um fluido a velocidades relativísticas, próximas à velocidade da luz. Eles fizeram isso realizando cálculos da força nuclear forte, que é a força fundamental que atrai quarks e glúons. 

A equipe começou com um cenário de um quark pesado relativístico viajando através de um gás de quarks e glúons que interagem fracamente. As interações fracas tornaram esse um ponto de partida viável para seus cálculos.

Para esse cenário inicial, eles calcularam a força nuclear forte do quark pesado e quanto seu momento provavelmente mudará ao se mover através do gás de quarks e glúons. Esse cálculo produziu uma curva, ou uma distribuição de probabilidade das mudanças no momento do quark. A mesma curva pode representar a probabilidade de o quark ser atingido por diferentes forças; impactos mais fortes causam mudanças maiores no momento do quark. 

A curva calculada pelos pesquisadores tinha formato de sino, semelhante à que Einstein encontrou em outros fluidos, porém para pequenos impulsos. E, diferentemente da curva em forma de sino de Einstein, o que a equipe descobriu mostrou uma inclinação para quarks pesados se movendo em velocidades relativísticas. As caudas em cada extremidade da curva eram irregulares e revelaram um desequilíbrio surpreendente nos tipos de impulsos que um quark pesado sofreria.

“A visão browniana usual pressupõe que grandes impulsos se tornem extremamente raros”, diz Du Plessis. “Para quarks pesados, no entanto, esses impulsos raros são mais comuns do que a curva normal prevê, e não são igualmente prováveis em direções opostas: um grande impulso que desacelera o quark mais do que o esperado pelo arrasto é mais provável do que um impulso igualmente grande que o deixa se movendo mais rápido do que o esperado.”

A equipe realizou o mesmo cálculo em plasmas compostos por partículas diferentes. Eles descobriram que a mesma curva inclinada se aplica, independentemente da composição do plasma. Além disso, constataram que essa mesma estrutura já estava presente em um cálculo anterior em um plasma fortemente acoplado, apesar das diferenças na física microscópica.

Em termos do que isso significa para o primeiro fluido do universo, Du Plessis afirma que o plasma primordial de quarks e glúons provavelmente "interage mais fortemente do que essa modelagem por movimento browniano sugere. É mais parecido com um líquido e menos com um gás." 

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Física Nuclear do Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Fundação Simons.