As descobertas dos físicos da Rice University trabalhando no Grande Colisor de Hádrons (LHC) da Europa estão fornecendo uma nova visão sobre um estado exótico da matéria chamado "plasma quark-gluon" que ocorre quando prótons e nêutrons derretem.

Como o acelerador de partículas mais poderoso da Terra, o LHC é capaz de esmagar os núcleos dos átomos quase à velocidade da luz. A energia liberada nessas colisões é vasta e permite que os físicos recriem o calor, densas condições que existiam no início do universo. Plasma quark-gluon, ou QGP, é uma sopa de partículas de alta energia que se forma quando prótons e nêutrons derretem em temperaturas que se aproximam de vários trilhões de Kelvin.

Em um artigo recente em Cartas de revisão física escrito em nome de mais de 2, 000 cientistas trabalhando no experimento Compact Muon Solenoid (CMS) do LHC, Os físicos do arroz Wei Li e Zhoudunming (Kong) Tu propuseram uma nova abordagem para estudar uma propriedade magnética característica do QGP chamada de "efeito magnético quiral" (CME). Sua abordagem usa colisões entre prótons e núcleos principais. CME é um fenômeno eletromagnético que surge como consequência da mecânica quântica e também está relacionado às chamadas fases topológicas da matéria, uma área da física da matéria condensada que tem atraído cada vez mais atenção em todo o mundo desde a conquista do Prêmio Nobel de Física em 2016.

"Encontrar evidências para o efeito magnético quiral e, portanto, fases topológicas na matéria QGP quente tem sido um objetivo principal no campo da física nuclear de alta energia por algum tempo, "Li disse." Primeiras descobertas, embora indicativo do CME, ainda permanecem inconclusivos, principalmente por causa de outros processos de fundo que são difíceis de controlar e quantificar. "

O QGP foi produzido pela primeira vez por volta de 2000 no Relativistic Heavy Ion Collider em Nova York e mais tarde no LHC em 2010. Nesses experimentos, físicos esmagaram dois núcleos principais de movimento rápido, cada um contendo 82 prótons e 126 nêutrons, os dois blocos de construção de todos os núcleos atômicos. Como os prótons derretidos nessas colisões, cada um carrega uma carga elétrica positiva, os QGPs desses experimentos continham campos magnéticos extremamente fortes, que são estimados em cerca de um trilhão de vezes mais fortes do que o mais forte campo magnético já criado em um laboratório.

O efeito magnético quiral é um efeito eletromagnético assimétrico exótico que só surge devido à combinação da mecânica quântica e as condições físicas extremas em um QGP. As leis da eletrodinâmica clássica proibiriam a existência de tal estado, e realmente, A inspiração de Li para os novos experimentos surgiu de pensar sobre o problema em termos clássicos.

"Fui inspirado por um problema em um curso de graduação que estava ensinando sobre eletrodinâmica clássica, "Li disse.

Dois anos atrás, Li descobriu que colisões frontais no LHC entre um núcleo de chumbo e um único próton criavam pequenas quantidades de partículas que pareciam se comportar como um líquido. Em uma análise mais detalhada, ele e seus colegas da CMS descobriram que as colisões estavam criando pequenas quantidades de QGP.

Em um relatório do Rice News de 2015 sobre a descoberta, Don Lincoln, ex-aluno do Rice, um físico de partículas e comunicador de física no Fermilab, escreveu, "Este resultado foi surpreendente porque quando o próton atinge o núcleo principal, faz um buraco em grande parte do núcleo, como atirar com um rifle em uma melancia (em oposição a colidir dois núcleos de chumbo, que é como bater duas melancias juntas). "

Li disse, "Uma coisa incomum sobre as gotículas de QGP criadas em colisões próton-chumbo é a configuração de seus campos magnéticos. O QGP é formado perto do centro do núcleo inicial inicial, o que torna mais fácil dizer que a intensidade do campo magnético é bastante insignificante em comparação com o QGP criado em colisões chumbo-chumbo. Como resultado, as colisões próton-chumbo nos fornecem um meio de desligar o campo magnético - e o sinal CME - em um QGP de uma forma bem controlada. "

No novo jornal, Li, Tu e seus colegas CMS mostraram evidências de dados de colisão próton-chumbo que ajudam a lançar luz sobre os comportamentos eletromagnéticos que surgem do efeito magnético quiral em QGPs chumbo-chumbo.

Li disse que mais detalhes ainda precisam ser acertados antes que uma conclusão definitiva possa ser tirada, mas ele disse que os resultados são um bom presságio para futuras descobertas de QGP no LHC.

"Este é apenas o primeiro passo em uma nova avenida aberta por colisões próton-núcleo para a busca de fases topológicas exóticas no QGP, "Li disse." Estamos trabalhando duro para acumular mais dados e realizar uma série de novos estudos. Esperançosamente, nos próximos anos, veremos a primeira evidência direta do efeito magnético quiral. "