No início, o universo era um caldeirão superquente que muito brevemente serviu uma sopa de partículas semelhante a um "perfeito, "fluido sem atrito. Os cientistas recriaram esta" sopa, "conhecido como plasma quark-gluon, em colisões nucleares de alta energia para entender melhor as origens do nosso universo e a natureza da própria matéria. A física também pode ser relevante para estrelas de nêutrons, que são os núcleos extraordinariamente densos de estrelas em colapso.

Agora, simulações de supercomputadores poderosos de núcleos atômicos em colisão, conduzido por uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo um físico do Berkeley Lab, fornecem novos insights sobre a torção, estrutura semelhante a um redemoinho desta sopa e o que está em ação dentro dela, e também mostra como os experimentos podem confirmar essas características. O trabalho foi publicado na edição de 1º de novembro de Cartas de revisão física .

Matéria, desconstruído

Esta sopa contém os ingredientes desconstruídos da matéria, a saber, partículas fundamentais conhecidas como quarks e outras partículas chamadas glúons que normalmente ligam quarks para formar outras partículas, como os prótons e nêutrons encontrados nos núcleos dos átomos. Nesse exótico estado de plasma - que pode atingir trilhões de graus Fahrenheit, centenas de milhares de vezes mais quente que o núcleo do Sol - prótons e nêutrons derretem, liberando quarks e glúons de seus confins habituais no centro dos átomos.

Essas temperaturas recordes foram alcançadas pela colisão de núcleos de ouro no RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) do Laboratório Nacional de Brookhaven, por exemplo, e núcleos líderes no LHC (Large Hadron Collider) do CERN. Experimentos no RHIC descobriram em 2005 que o plasma quark-gluon se comporta como um fluido. Além de núcleos de ouro, RHIC também foi usado para colidir prótons, cobre e urânio. O LHC começou a realizar experimentos de íons pesados ​​em 2014, e confirmou que o plasma quark-gluon se comporta como um fluido.

Ainda existem muitos mistérios sobre o funcionamento interno deste estado de plasma de curta duração, que pode ter existido por milionésimos de segundo no universo recém-nascido, e os físicos nucleares estão usando uma mistura de teoria, simulações e experimentos para colher novos detalhes sobre esta sopa subatômica.

Complexidade surpreendente na estrutura do plasma

"Em nossas simulações sofisticadas, descobrimos que há muito mais estrutura neste plasma do que imaginamos, "disse Xin-Nian Wang, um teórico da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab que trabalhou durante anos na física de colisões nucleares de alta energia.

Quando plotado em duas dimensões, as simulações descobriram que colisões ligeiramente fora do centro de núcleos pesados ​​produzem um fluido oscilante e em expansão, Wang disse, com rotação local que é torcida em forma de saca-rolhas.

Este personagem saca-rolhas relaciona-se com as propriedades dos núcleos em colisão que criaram o plasma, que a simulação mostrou se expandindo ao longo - e perpendicular à - direção do feixe. Como girar uma moeda sacudindo-a com o dedo, as simulações mostraram que as propriedades do momento angular dos núcleos em colisão podem transferir propriedades de spin para o plasma quark gluon na forma de redemoinho, estruturas semelhantes a anéis conhecidas como vórtices.

As simulações mostraram dois desses vórtices em forma de donut - cada um com uma orientação destra em torno de cada direção dos feixes separados dos núcleos em colisão - e também muitos pares de vórtices opostamente orientados ao longo da dimensão mais longa do plasma. Essas características em forma de donut são análogas a anéis de fumaça em espiral e são uma característica comum em estudos clássicos de fluidos, um campo conhecido como hidrodinâmica.

As simulações também revelaram um fluxo externo padronizado de pontos quentes no plasma que se assemelham aos raios de uma roda. A escala de tempo coberta na simulação era infinitesimalmente pequena, Wang disse, aproximadamente a quantidade de tempo que a luz leva para percorrer a distância de 10-20 prótons. Durante este tempo, o fluido oscilante explode como uma bola de fogo, jorrando a sopa de partículas do meio mais rapidamente do que do topo.

Qualquer nova compreensão das propriedades do plasma quark-gluon deve ser útil na interpretação de dados de experimentos de colisão de núcleos, Wang disse, observando que o surgimento de várias estruturas semelhantes a donuts localizadas nas simulações foi "completamente inesperado".

Desvendando um mistério

"Podemos pensar nisso como a abertura de uma janela completamente nova para observar os plasmas de quark-gluon, e como estudá-los, "ele disse." Esperançosamente, isso irá fornecer outra porta para entender por que esse fluido quark-gluon é um fluido tão perfeito - a natureza de por que isso é ainda é um enigma. Este trabalho beneficiará não apenas a teoria, mas também experimentos. "

As simulações fornecem mais evidências de que o plasma quark-gluon se comporta como um fluido, e não um gás como já foi teorizado. "A única maneira de descrever isso é ter uma viscosidade muito pequena, "ou quase nenhum atrito, uma característica de um chamado 'fluido perfeito' ou 'fluido fundamental, '"Disse Wang. Mas ao contrário de um fluido familiar como a água, a simulação se concentra em um estado de fluido centenas de vezes menor do que uma molécula de água.

Michael Lisa, um professor de física na Ohio State University que faz parte da colaboração para apoiar o Solenoidal Tracker no RHIC (STAR), disse que a chamada vorticidade ou "estrutura em redemoinho" deste plasma nunca foi medida experimentalmente, embora este último trabalho teórico possa ajudar a focalizá-lo. O STAR foi desenvolvido para estudar a formação e as características do plasma quark-gluon.

"Wang e seus colaboradores desenvolveram um sofisticado, modelo hidrodinâmico de última geração do plasma quark-gluon e identificaram estruturas giratórias que variam dentro do próprio fluido, ", disse ele." Ainda mais útil é o fato de que eles propõem um método para medir essas estruturas em laboratório. "

Lisa também disse que há um trabalho de análise em andamento para confirmar as descobertas da simulação em dados de experimentos no RHIC e no LHC. “São precisamente inovações como esta, onde teoria e experimento colaboram para explorar novos fenômenos, que mantêm a maior esperança de uma maior compreensão do plasma quark-gluon, " ele disse.

"Muitas ferramentas foram usadas para sondar a mecânica de trabalho interna e as propriedades de simetria desta matéria única, "disse Zhangbu Xu, porta-voz da colaboração STAR e cientista da equipe do Laboratório Nacional de Brookhaven. Ele também disse que os resultados preliminares do STAR também sugerem algum movimento giratório no fluido, e o trabalho de simulação "adiciona uma nova dimensão" a esta possibilidade.