Uma equipe liderada pelo físico Frank Geurts, da Universidade Rice, alcançou um marco significativo na física de partículas ao medir a temperatura do plasma de quarks e glúons (QGP) em diferentes estágios de sua evolução. Esse plasma é uma forma de matéria que, acredita-se, tenha preenchido o universo apenas milhões de segundos após o big bang, o evento que marca a origem e expansão do universo. Os resultados, publicados em 14 de outubro na Nature Communications, oferecem uma rara visão das condições extremas que moldaram o cosmos primitivo.
Rastreamento do Calor no Universo Primitivo
Medir temperaturas em ambientes onde nenhum instrumento pode sobreviver fisicamente tem desafiado os cientistas há muito tempo. A equipe superou isso estudando pares de elétrons e pósitrons térmicos liberados durante colisões em alta velocidade de núcleos atômicos no Colisor de Íons Pesados Relativísticos (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York. Essas emissões forneceram uma forma de reconstruir quão quente o plasma se tornou à medida que se formou e esfriou.
Estimativas anteriores de temperatura eram incertas, frequentemente distorcidas pelo movimento dentro do plasma que criava deslocamentos semelhantes ao efeito Doppler ou pela confusão sobre se as medições refletiam o plasma em si ou estágios posteriores de sua decomposição.
“Nossas medições desbloqueiam a impressão térmica do QGP”, disse Geurts, professor de física e astronomia e co-porta-voz da colaboração RHIC STAR. “Rastrear as emissões de dileptons nos permitiu determinar quão quente o plasma estava e quando começou a esfriar, proporcionando uma visão direta das condições apenas microssegundos após a gênese do universo.”
Abertura de Uma Nova Janela Térmica
O plasma de quarks e glúons é um estado de matéria único onde os componentes básicos dos prótons e nêutrons, quarks e glúons, existem livremente em vez de estarem confinados dentro das partículas. Seu comportamento depende quase inteiramente da temperatura. Até agora, os cientistas careciam das ferramentas para espiar esse sistema quente e em rápida expansão sem distorcer os resultados. Com o QGP atingindo temperaturas de vários trilhões de Kelvin, o desafio era encontrar um “termômetro” capaz de observá-lo sem interferência.
“Os pares de léptons térmicos, ou emissões de elétrons e pósitrons produzidos ao longo da vida do QGP, surgiram como candidatos ideais”, disse Geurts. “Ao contrário dos quarks, que podem interagir com o plasma, esses léptons passam por ele em grande parte ilesos, carregando informações não distorcidas sobre seu ambiente.”
Detectar esses pares efêmeros entre incontáveis outras partículas exigiu equipamentos extremamente sensíveis e calibração meticulosa.
Avanço Experimental no RHIC
Para alcançar isso, a equipe refinou os detectores do RHIC para isolar pares de léptons de baixo momento e reduzir o ruído de fundo. Eles testaram a ideia de que a distribuição de energia desses pares poderia revelar diretamente a temperatura do plasma. A abordagem, conhecida como termômetro penetrante, integra emissões ao longo de toda a vida do QGP para produzir um perfil térmico médio.
Apesar dos desafios em distinguir sinais térmicos genuínos de processos não relacionados, os pesquisadores obtiveram medições altamente precisas.
Estágios de Temperatura Distintos Revelados
Os resultados mostraram duas faixas de temperatura claras, dependendo da massa dos pares de diletrons emitidos. Na faixa de baixa massa, a temperatura média alcançou cerca de 2,01 trilhões de Kelvin, consistente com previsões teóricas e com temperaturas observadas quando o plasma se transforma em matéria ordinária. Na faixa de massa mais alta, a temperatura média foi em torno de 3,25 trilhões de Kelvin, representando a fase padrão inicial e mais quente do plasma.
Esse contraste sugere que diletrons de baixa massa são produzidos mais tarde na evolução do plasma, enquanto os de alta massa vêm de seu estágio inicial mais energético.
“Este trabalho relata temperaturas médias do QGP em dois estágios distintos de evolução e múltiplos potenciais químicos báricos, marcando um avanço significativo no mapeamento das propriedades termodinâmicas do QGP”, disse Geurts.
Mapeando a Matéria Sob Condições Extremas
Ao medir precisamente a temperatura do QGP em diferentes pontos de sua evolução, os cientistas obtêm dados experimentais cruciais necessários para completar o “diagrama de fase de QCD”, essencial para mapear como a matéria fundamental se comporta sob imenso calor e densidade, semelhante às condições que existiram momentos após o big bang e presentes em fenômenos cósmicos como estrelas de nêutrons.
“Armados com este mapa térmico, os pesquisadores podem agora refinar sua compreensão sobre as durações de vida do QGP e suas propriedades de transporte, assim aprimorando nossa compreensão do universo primitivo”, disse Geurts. “Esse avanço significa mais do que uma medição; sinaliza uma nova era na exploração da fronteira mais extrema da matéria.”
Contribuidores do estudo incluem o ex-associado de pós-doutorado da Rice, Zaochen Ye (agora na Universidade Normal do Sul da China), o ex-aluno da Rice, Yiding Han (agora no Baylor College of Medicine), e o atual aluno de graduação da Rice, Chenliang Jin. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.