Evidência inédita mostra que o plasma de quarks e glúons (PQG) realmente “ondulava” como uma sopa após o Big Bang

Logo depois do estrondo do Big Bang, o Universo era um “caldo” a cerca de um trilhão de graus, composto por um plasma extremamente denso e difícil de imaginar. Um experimento decisivo agora encontrou o primeiro indício direto de que essa substância primordial não era apenas quente e exótica: ela se movia, respingava e formava redemoinhos, tal como um líquido.

O que é o plasma de quarks e glúons (PQG) - e por que ele é chamado de sopa primordial

Em termos mais técnicos, essa “sopa” recebe o nome de plasma de quarks e glúons, ou PQG. Ele é descrito como o primeiro e mais quente líquido que já existiu. Modelos teóricos indicam que, por uma fração ínfima de tempo - alguns milionésimos de segundo -, o PQG atingiu temperaturas cerca de um bilhão de vezes maiores do que as da superfície do Sol, antes de se expandir, arrefecer e, finalmente, permitir que a matéria se organizasse em átomos.

Compreender se o PQG se comporta como um fluido coeso ou como um conjunto de partículas que se dispersam ao acaso é uma peça central para reconstruir as condições do Universo bebé e para testar, em laboratório, como a matéria se comporta sob energias extremas.

Colisões de íons pesados no Grande Colisor de Hádrons (LHC): recriando condições do Universo primitivo

Conforme descrito num estudo recente, físicos do MIT e do CERN reproduziram, em laboratório, colisões de íons pesados semelhantes às que terão dado origem ao PQG. O cenário experimental foi o Grande Colisor de Hádrons (LHC), onde partículas de chumbo são aceleradas e colididas a velocidades próximas à da luz.

Esses choques geram jatos de partículas energéticas (incluindo quarks) e, ao mesmo tempo, uma minúscula gota de PQG, análoga ao material que permeou o Universo nos seus primeiros instantes.

Como os quarks “provocam” o PQG: a procura por esteiras, respingos e redemoinhos

A pergunta prática por trás do estudo é simples de enunciar e difícil de responder: quando um quark atravessa o PQG, ele empurra o meio e cria uma perturbação organizada - como um líquido que “devolve” um rasto - ou o efeito é indistinguível de colisões aleatórias num gás de partículas?

Para investigar, a equipa analisou dados de colisões chumbo-chumbo no LHC e aplicou uma estratégia que ofereceu uma visão mais limpa do que em tentativas anteriores: os pesquisadores reconstruíram as trajetórias dos quarks através do PQG e, depois, mapearam como a energia ficou distribuída na gota de plasma após o impacto.

Segundo o físico Yen-Jie Lee, do MIT, os resultados apontam para um meio extremamente compacto: o plasma é tão denso que consegue travar um quark em movimento e, ao fazê-lo, gera padrões que lembram respingos e redemoinhos, como num fluido. Em outras palavras, o plasma de quarks e glúons comporta-se, de facto, como a “sopa primordial”.

Quando os quarks cortam o PQG, eles cedem parte da sua energia ao meio: perdem velocidade e formam uma esteira - um rasto de matéria perturbada - semelhante ao que acontece atrás de uma embarcação veloz.

O físico Krishna Rajagopal, do MIT, que desenvolveu um modelo prevendo propriedades fluidas do PQG, descreveu a analogia: num lago, o barco transfere quantidade de movimento para a água, criando uma região que “segue” o barco; no PQG, um quark pode produzir um efeito comparável, mas num ambiente muito mais extremo.

O grande obstáculo: ver uma esteira num plasma que dura um quatrilionésimo de segundo

Ao contrário da água, em que a esteira pode ser observada diretamente, no PQG ela precisa ser inferida. O desafio é brutal: é necessário separar sinais subtis em meio a dezenas de milhares de partículas que interagem de forma caótica, num plasma de um trilhão de graus que, no LHC, costuma existir por apenas um quatrilionésimo de segundo.

Há ainda uma complicação adicional. Rajagopal explicou que, nas colisões do LHC, quarks não aparecem “sozinhos” com facilidade: frequentemente surgem em pares com antiquarks (as suas contrapartes, com cargas opostas). O par tende a partir em direções contrárias, com velocidades semelhantes, e cada um cria a sua própria esteira, tornando a leitura do efeito muito mais confusa.

A virada metodológica: quark + bóson Z para isolar a resposta do PQG

Em vez de focar em pares quark–antiquark, como em estudos anteriores, a equipa procurou outro tipo de assinatura: eventos em que a colisão produz um quark juntamente com um bóson Z. O bóson Z é uma partícula elementar neutra e, crucialmente, não gera esteira no PQG, porque não interage com esse meio da mesma forma.

Esses casos, porém, são raros. Entre 13 mil milhões de colisões do LHC avaliadas no estudo, apenas cerca de 2.000 produziram um bóson Z. Ainda assim, exatamente por o bóson Z “não mexer” com o plasma, ele funciona como uma referência limpa: a equipa conseguiu, por fim, analisar com mais confiança a esteira deixada por um único quark rápido.

O padrão observado coincidiu com a previsão do modelo de Rajagopal: o PQG respondeu como um líquido, com uma perturbação que se propaga e se organiza em torno do rasto, em vez de se dissipar como simples espalhamento aleatório de partículas.

Rajagopal afirmou que se trata de uma evidência definitiva e inequívoca do comportamento líquido do plasma de quarks e glúons, embora o debate científico sobre até que ponto o PQG “escoa” e “ondula” como um fluido deva continuar, à medida que outros grupos examinem os resultados.

O que esta abordagem pode desbloquear nas próximas medições

A nova técnica oferece um caminho para estudar processos semelhantes em outras colisões de alta energia, ajudando a esclarecer a natureza de uma das substâncias mais enigmáticas já inferidas pela física. Em muitas áreas, compreender um material passa por perturbá-lo e medir como essa perturbação se espalha e se dissipa - e é exatamente esse princípio que está a ser aplicado ao PQG.

Além disso, mapear com precisão como a energia se deposita no plasma pode ajudar a estimar parâmetros importantes, como o quão “perfeito” é o escoamento do PQG (isto é, quão baixa é a sua viscosidade efetiva). Esses números são valiosos porque conectam medições no acelerador a propriedades fundamentais da matéria regida pela cromodinâmica quântica.

Outra consequência prática é o refinamento de ferramentas de análise para ambientes com grande multiplicidade de partículas, como os produzidos em colisões de íons pesados. Estratégias que isolam uma sonda “limpa” (como o bóson Z) podem tornar-se padrão para separar efeitos do meio de efeitos puramente cinemáticos, ampliando a capacidade de comparar resultados entre diferentes energias e configurações experimentais.

No fim das contas, parte do encanto da física está nisso: quando o funcionamento de algo não é óbvio, a solução pode ser aproximá-lo das condições mais extremas possíveis - até ao ponto de o colidir a velocidades quase lumínicas - e observar como o Universo responde.

A pesquisa foi publicada na revista científica Cartas de Física B.