Graças a um novo desenvolvimento na teoria da física nuclear, Os cientistas que exploram bolas de fogo em expansão que imitam o universo primitivo têm novos sinais para procurar ao mapear a transição do plasma primordial para a matéria como a conhecemos. A teoria funciona, descrito em um artigo publicado recentemente como uma sugestão do editor em Cartas de revisão física ( PRL ), identifica padrões-chave que seriam a prova da existência de um chamado "ponto crítico" na transição entre as diferentes fases da matéria nuclear. Como os pontos de congelamento e ebulição que delineiam as várias fases da água - líquido, gelo sólido, e vapor - os pontos que os físicos nucleares procuram identificar os ajudarão a compreender as propriedades fundamentais da estrutura de nosso universo.

Os físicos nucleares criam as bolas de fogo colidindo núcleos comuns - feitos de prótons e nêutrons - em um "destruidor de átomos" chamado Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC), um Centro de Usuária do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Brookhaven. As colisões subatômicas geram temperaturas que medem trilhões de graus, quente o suficiente para "derreter" os prótons e nêutrons e liberar seus blocos de construção internos - quarks e glúons. O colisor basicamente volta no tempo para recriar o "plasma quark-gluon" (QGP) que existia logo após o Big Bang. Ao rastrear as partículas que emergem das bolas de fogo, os cientistas podem aprender sobre as transições de fase nuclear - tanto o derretimento quanto como os quarks e glúons "congelam" como o fizeram no início dos tempos para formar a matéria visível do mundo atual.

"Queremos entender as propriedades do QGP, "disse o teórico nuclear Raju Venugopalan, um dos autores do novo artigo. "Não sabemos como essas propriedades podem ser usadas, mas 100 anos atrás, não sabíamos como usaríamos as propriedades coletivas dos elétrons, que agora formam a base de quase todas as nossas tecnologias. Naquela época, os elétrons eram tão exóticos quanto os quarks e os glúons são agora. "

Mudança de fases

Os físicos do RHIC acreditam que dois tipos diferentes de mudanças de fase podem transformar o QGP quente em prótons e nêutrons comuns. Mais importante, eles suspeitam que o tipo de mudança depende da energia de colisão, que determina as temperaturas geradas e quantas partículas são apanhadas na bola de fogo. Isso é semelhante ao modo como os pontos de congelamento e ebulição da água podem mudar sob diferentes condições de temperatura e densidade das moléculas de água, Venugopalan explicou.

Em colisões RHIC de baixa energia, os cientistas suspeitam que, embora ocorra a mudança de fase de QGP para prótons / nêutrons comuns, ambos os estados distintos (QGP e matéria nuclear comum) coexistem - assim como bolhas de vapor e água líquida coexistem na mesma temperatura em uma panela de água fervente. É como se os quarks e glúons (ou moléculas de água líquida) tivessem que parar nessa temperatura e pagar um preço antes que pudessem obter a energia necessária para escapar como QGP (ou vapor).

Em contraste, em colisões de alta energia, não há barreira de pedágio na temperatura de transição onde quarks e glúons devem "parar". Em vez disso, eles se movem em um caminho contínuo entre as duas fases.

Mas o que acontece entre esses reinos de baixa e alta energia? Descobrir isso agora é um dos principais objetivos do que é conhecido como "varredura de energia do feixe" no RHIC. Colidindo sistematicamente núcleos em uma ampla gama de energias, físicos na colaboração STAR do RHIC estão procurando por evidências de um ponto especial em seu mapa dessas fases nucleares e as transições entre elas - o diagrama de fase nuclear.

Neste chamado "ponto crítico, "haveria uma parada de pedágio, mas o custo seria $ 0, assim, os quarks e glúons poderiam fazer a transição de prótons e nêutrons para QGP muito rapidamente - quase como se toda a água na panela se transformasse em vapor em um único instante. Isso pode realmente acontecer quando a água atinge seu ponto de ebulição sob alta pressão, onde a distinção entre as fases do líquido e do gás comprimido se confunde a ponto de as duas serem virtualmente indistinguíveis. No caso do QGP, os físicos esperariam ver sinais desse efeito dramático - padrões nas flutuações das partículas observadas atingindo seus detectores - quanto mais perto eles chegam desse ponto crítico.

Em experimentos já conduzidos nas energias intermediárias, Físicos STAR observaram tais padrões, que podem ser sinais do ponto crítico hipotético. Esta busca continuará com maior precisão em uma ampla gama de energias durante uma segunda varredura de energia do feixe, começando em 2019. O novo trabalho teórico do físico de Brookhaven Swagato Mukherjee, Venugopalan, e o ex-pós-doutorado Yi Yin (agora no MIT) - parte de uma recém-financiada Teoria de Varredura de Energia de Feixe (BEST) Colaboração em Teoria Nuclear - fornecerá um roteiro para guiar os pesquisadores experimentais.

Sinalização para procurar

Certas características dos padrões que ocorrem durante as mudanças de fase são universais - não importa se você está estudando água, ou quarks e glúons, ou ímãs. Mas um avanço importante do trabalho da nova teoria foi usar um conjunto diferente de características universais para explicar as condições dinâmicas do plasma quark-gluon em expansão.

"Todas as previsões, a maneira como começamos a procurar um ponto crítico até agora, foram baseados em padrões calculados assumindo que você tem uma panela fervendo no fogão - um sistema um tanto estático, "disse Mukherjee." Mas o QGP está se expandindo e mudando com o tempo. É mais como água fervendo enquanto flui rapidamente por um cano. "

Para levar em conta as condições de evolução do QGP em seus cálculos, os teóricos incorporaram "universalidades dinâmicas" que foram desenvolvidas primeiro para descrever a formação de padrões semelhantes na expansão cosmológica do próprio universo.

"Essas ideias já foram aplicadas a outros sistemas, como hélio líquido e cristais líquidos, "Venugopalan disse." Yin percebeu que os mecanismos específicos de universalidade dinâmica identificados na cosmologia e sistemas de matéria condensada podem ser aplicados à busca do ponto crítico em colisões de íons pesados. Este artigo é a primeira demonstração explícita dessa conjectura. "

Especificamente, o artigo prevê exatamente quais padrões procurar nos dados - padrões em como as propriedades das partículas emitidas nas colisões são correlacionadas - conforme a energia das colisões muda.

"Se a colaboração da STAR analisa os dados de uma maneira particular e vê esses padrões, eles podem alegar, sem qualquer ambiguidade, que viram um ponto crítico, "Venugopalan disse.