Plasma Quark-Glúon

Plasma de quark-gluon é um estado extremo da matéria em que os blocos de construção de prótons e nêutrons — quarks e glúons – não estão mais presos dentro de partículas individuais, mas vagam livremente em uma sopa quente e densa. Acredita-se que tenha preenchido todo o universo durante os primeiros milionésimos de segundo após o Big Bang, e foi brevemente recriado nos aceleradores de partículas mais poderosos do mundo.

Quebrando o vínculo mais forte

Normalmente, os quarks ficam permanentemente presos dentro de prótons, nêutrons e outras partículas pela força nuclear forte, transportada pelos glúons. Essa captura é chamada confinamento: a força entre os quarks fica mais forte à medida que você tenta separá-los, então eles nunca são vistos isoladamente. Mas a temperaturas extremas – biliões de graus, muito mais quentes que o centro do Sol – ou densidades extremas, o domínio do confinamento quebra-se. Quarks e glúons “desconfinam” e se movem livremente. Esta transição é uma das previsões centrais da teoria da força forte, a cromodinâmica quântica (QCD).

Recriando o universo primitivo

Para produzir plasma de quark-gluon, os físicos esmagam núcleos atômicos pesados ​​– como ouro ou chumbo – quase à velocidade da luz em instalações como o Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) e o Grande Colisor de Hádrons (LHC). A colisão concentra uma energia enorme em um volume minúsculo, derretendo brevemente os núcleos em plasma antes que ele esfrie e congele novamente em partículas comuns em menos de 10⁻²² segundos. Os detectores reconstroem o spray de partículas que emerge para estudar como era o plasma.

Um líquido perfeito

Uma das grandes surpresas foi que o plasma quark-glúon não se comporta como um gás fino, como muitos esperavam, mas como um quase líquido perfeito — flui quase sem viscosidade. Esta descoberta conectou a física nuclear a áreas inesperadas, incluindo a teoria das cordas e o estudo de quão fortemente os sistemas interagem se comportam. Sondar as propriedades do plasma – como ele interrompe as partículas rápidas, como ele flui – continua sendo um importante programa experimental.

Um equívoco comum

O plasma de quark-gluon não é simplesmente “matéria comum muito quente”. É uma fase genuinamente diferente, na qual as partículas habituais da física nuclear se dissolveram, tal como o derretimento do gelo em água é uma mudança de fase - excepto que aqui são os próprios protões e neutrões que se fundem nos seus constituintes.

Números principais: mais quente que qualquer estrela

A recriação do plasma quark-glúon atinge temperaturas quase inimagináveis. Colisões de íons pesados ​​no RHIC e no LHC atingem brevemente

T ≈ 4 × 10¹² K (cerca de 250.000× o núcleo do Sol)

muito acima do limiar de desconfinamento de cerca de 2 × 10¹² K previsto pela teoria da força forte. A maior surpresa foi o plasma fluxo: em vez de se comportar como um gás, tem uma relação entre viscosidade e densidade de entropia tão baixa que está entre os líquidos mais perfeitos já observados, próximo de um limite quântico fundamental. Este fluxo quase sem atrito, reconstruído a partir de como as partículas saem da colisão, é agora uma das assinaturas experimentais que definem o plasma quark-glúon.