Flutuações quânticas auxiliam cientistas na investigação da matéria

Físicos desvendam mistérios da matéria por meio de experimentos com colisões de núcleos pesados em aceleradores de partículas

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Um dos locais do experimento, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, o maior acelerador de partículas no mundo - Foto: Divulgação/CERN
Um dos locais do experimento, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, o maior acelerador de partículas no mundo – Foto: Divulgação/Cern

Numa área considerada entre as mais básicas da ciência, como a física de partículas, cada descoberta é valiosa para a compreensão do todo. Revistas de grande impacto, como a Physical Review Letters, são vitrine das novas peças somadas ao quadro que poderá elucidar o funcionamento da matéria. Recentemente, um físico da USP acrescentou sua contribuição ao quebra-cabeça. Jorge Noronha é um dos autores de artigo relatando experimentos que colidiram núcleos de metais pesados a velocidades próximas à da luz, fazendo vir à tona partículas chamadas quarks e glúons.

A série de experimentos foi conduzida no interior dos dois maiores e mais famosos colisores de partículas da atualidade, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), nos Estados Unidos. Físicos teóricos e experimentais puderam observar o comportamento de jatos produzidos nas colisões ultrarrelativísticas (classificadas assim pela velocidade em que ocorrem) de íons pesados.

Jorge Noronha, do Instituto de Física da USP, pesquisa a Física Nuclear de Altas Energias – Foto: Divulgação/IF

A priori, o experimento colidiu núcleos pesados de metais como ouro, usado em especial por pesquisadores no RHIC, e o chumbo, utilizado nas experiências no LHC. Ao colidirem os núcleos de chumbo, partículas elementares que os constituem (os quarks e os glúons) se fizeram notar.

Publicado pela Physical Review Letters no final de junho, o trabalho jogou luz sobre mais um dos múltiplos enigmas que cercam este infinitesimal universo. Mas para compreender a magnitude da experiência conduzida em escala microscópica, uma série de conceitos precisam ser destrinchados.

Engenharia reversa

Em meados de 1973, os cientistas David Politzer, Frank Wilczek e David Gross foram os responsáveis pelo desenvolvimento da Cromodinâmica Quântica (QCD). Em física teórica, a QCD é a teoria das interações fortes, uma força fundamental que descreve a interação entre quarks e glúons, que por sua vez constituem os hádrons como os prótons, nêutrons e píons. A área é uma parte crucial do modelo padrão da física de partículas.

Num espaço microscópico – região não muito maior do que o tamanho de um próton, que tem em média 10−15 metros – uma grande quantidade de energia é dispersada pela colisão. Após o impacto, o calor dentro do colisor se eleva dramaticamente, chegando a atingir temperaturas da ordem de 100 mil vezes a do Sol. Em consequência, os núcleos pesados “derretem” e liberam quarks e glúons, que produzem imediatamente um sistema conhecido como “plasma de quarks e glúons”, cuja duração é extremamente breve.

É nesse sistema que cientistas concentraram sua atenção para tentar compreender, de forma reversa, como esses quarks e glúons produzem os prótons e nêutrons, elementos que constituem 95% da matéria conhecida atualmente.

Plasma de quarks e glúons

O experimento: à esquerda, condição inicial da distribuição de energia do plasma de quarks e glúons sem considerar as flutuações quânticas: a energia decai do centro (vermelho) para a borda (verde). À direita, foram incorporadas flutuações quânticas: a energia define uma "paisagem" composta por "cumes" e "vales"
O experimento: à esquerda, condição inicial da distribuição de energia do plasma de quarks e glúons sem considerar as flutuações quânticas: a energia decai do centro (vermelho) para a borda (verde). À direita, foram incorporadas flutuações quânticas: a energia define uma “paisagem” composta por “cumes” e “vales”

O universo, explica o professor, é formado aproximadamente por 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria conhecida, aquela descrita pelo modelo padrão. “Desses 5%, aproximadamente 95% são relacionados aos quarks e glúons. Basicamente toda nossa massa vem deles e de suas interações”, aponta.

“Para se ter uma ideia, no começo do universo, de acordo com cosmólogos, mais precisamente microssegundos após o Big Bang, o universo era cheio desse plasma”, esclarece ele. Conforme a temperatura altíssima do universo foi baixando, e ele foi se expandindo e esfriando, a matéria foi se modificando em diferentes modelos.

Há pouco menos de 15 anos, a comunidade internacional de cientistas passou a investigar de perto o plasma de quarks e glúons gerado pelos experimentos modernos. Comportando-se como “um líquido que tem efeitos de viscosidade muito pequenos”, pontua o físico, o plasma foi primeiramente presumido como um sistema uniforme, liso e sem flutuações.

Posicionando detectores de partículas ao redor do sistema, físicos experimentais passaram a registrar, no espaço observável pelas medições, qual era a dinâmica das partículas que cruzavam o plasma por meio de jatos.

“Imagine que uma partícula está passando como um jato sobre o plasma de quarks. Como um dedo cortando uma poça de água”, ilustra Noronha. “O que medimos é quanto de energia o jato perde quando passa através daquele meio. Isso nos diz o quão denso o sistema era e o quanto de energia o jato perde quando está passando”, revela ele, ao indicar que os jatos agem como uma sonda indicativa das propriedades da matéria.

Flutuações quânticas

Era também necessário entender como a matéria se comportava e evoluía no espaço e tempo até chegar aos detectores. A princípio, observou-se que a matéria se comportava em padrões similares, chamado fluxo elíptico. Entretanto, são vários os padrões de distribuição angular das partículas: elíptico, triangular, quadrangular e outros. Compreender por que o padrão elíptico era predominante conduziu os cientistas a olharem mais fundo na alegada uniformidade do plasma.

“Por mais de dez anos todos calculavam que o plasma não tinha flutuação, era liso. O jato passava e cientistas encontravam a distribuição de partículas. Ao longo dos anos, entendemos que o fluido que é construído não é uniforme”, conta Noronha. “Foram constatadas as chamadas flutuações quânticas, que são a causa da densidade de energia ser composta por ‘cumes’ e ‘vales’. São eles que fazem diferença conforme o jato vai passando”, salienta.

A partir da inclusão do efeito das flutuações quânticas, tornou-se possível entender a magnitude do fluxo elíptico associado à passagem de jatos pelo plasma de quarks e glúons, o que ajudará a compreender as propriedades dinâmicas do plasma, como ele se move no espaço e no tempo.

Aplicações e futuro do campo

20160805_physical_review_lettersNoronha revela que um novo artigo já está sendo escrito. Dessa vez, mais longo e com mais detalhes que irão fundamentar novos experimentos. “Vamos propor novas observações para entender melhor ainda como esses jatos perdem energia, como esses fluidos são feitos”, aponta ele.

Além disso, pesquisadores querem investigar mais profundamente a conexão desse que é considerado “o menor, mais quente e mais perfeito fluido já feito” com o jato. “Se você coloca mais viscosidade, o que acontece? Ainda não sabemos e queremos entender quão viscoso o plasma realmente é”, revela.

Para os astrônomos, o trabalho pode ajudar a desvendar mais mistérios sobre as origens do universo. Entender quais seriam as consequências cosmológicas desses jatos no plasma primordial é uma das principais indagações, especula o cientista.

Na USP, pelo menos cinco físicos teóricos e três físicos experimentais estão trabalhando na investigação desses fenômenos. No Brasil, a comunidade que participa desses experimentos se estende por diversas outras universidades, chegando a organizar suas próprias conferências e conduzir pesquisas em conjunto.

Especificamente para a física, descobertas como essa são responsáveis por mudanças consideráveis que aproximam campos anteriormente separados. “A Física Nuclear antes era um pouco distinta da Física de Partículas ou das Altas Energias”, lembra o professor. “Com experimentos como os do LHC, a energia dessas colisões é tão alta que ambas as físicas estão se misturando em algo novo”, esclarece, ao pontuar que para trabalhar nesse tipo de pesquisa é exigida dos especialistas uma boa compreensão de ambas as áreas.

Para a física, um domínio em constante transformação, “a barreira que existia entre áreas ficou muito menor”, finaliza Noronha.

Mais informações: site http://jorgenoronha.wixsite.com/physics, email noronha@if.usp.br, com Jorge Noronha

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