Plasmas de quark-gluon estão entre os assuntos mais extensivamente pesquisados ​​pelos físicos nos últimos tempos. Graças aos maiores aceleradores de partículas em operação hoje, o Large Hadron Collider (LHC) na Europa e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) nos Estados Unidos, agora é possível reproduzir um plasma de quark-gluon em laboratório. Acredita-se que este estado da matéria tenha predominado no universo por uma fração de segundo após o Big Bang.

De acordo com o modelo cosmológico padrão, a duração do plasma quark-gluon no universo primordial não era superior a um milionésimo de segundo, já que se pensa que o universo resfriou cerca de 10 ^-6 segundos após o Big Bang a tal ponto que quarks e glúons não podiam mais se mover livremente e, em vez disso, ficaram confinados em hádrons (prótons, nêutrons, mesons, etc.). Nas colisões nucleares de alta energia produzidas no LHC e RHIC, os plasmas quark-gluon duram por um tempo ainda mais curto - aproximadamente 10 ^-23 segundos - devido a gradientes de pressão acentuados. Apesar de sua transitoriedade e pequeno volume (o diâmetro de um próton é da ordem de 10 ^-15 m), Os plasmas de quark-gluon ocultam atividades internas intensas e complexas.

Esta atividade está sendo gradualmente revelada em experimentos LHC e RHIC, e novas abordagens teóricas foram desenvolvidas para explicar ou prever seus resultados. O caso em questão, entre muitos outros, é o estudo intitulado "Predições hidrodinâmicas para correlações harmônicas mistas em colisões de 200 GeV Au + Au, " publicado em Revisão Física C e destacado como uma sugestão dos editores.

O estudo foi conduzido por Fernando Gardim, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de Alfenas, Estado de Minas Gerais (Sudeste do Brasil); Frédérique Grassi e Matthew Luzum, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP); e Jacquelyn Noronha-Hostler do Departamento de Física da Universidade de Houston.

"Por causa de sua duração muito curta, um plasma de quark-gluon não pode ser observado diretamente, "Disse Grassi." Os experimentos são capazes de detectar os hádrons formados quando os quarks e os glúons se recombinam. Esses hádrons se propagam em várias direções. Sua distribuição angular em torno do eixo de colisão fornece informações altamente relevantes sobre a estrutura e dinâmica do plasma e, consequentemente, sobre a natureza das interações fundamentais na matéria. Nosso estudo, que era teórico, começou a prever padrões específicos na distribuição angular dos hádrons. "

Os pesquisadores usaram um modelo hidrodinâmico chamado NeXSPheRIO, que reproduziu com precisão uma ampla gama de dados obtidos experimentalmente no RHIC. As simulações computacionais realizadas nesta base possibilitaram aos pesquisadores fazer previsões que podem ser testadas em novos experimentos para que o modelo possa ser validado ou corrigido.

"A distribuição angular observada nos experimentos é decomposta em uma sequência conhecida na matemática como série de Fourier, "Grassi explicou." Cada termo da série corresponde a uma característica específica da distribuição, e a série como um todo nos diz quantas partículas se movem de acordo com cada padrão. A frase 'correlações harmônicas mistas' usada no título é o termo técnico que denomina as correlações entre os diferentes coeficientes de Fourier.

"Se um plasma de quark-gluon fosse estritamente homogêneo e tivesse as propriedades de um gás - se suas partículas interagissem muito pouco - então o fluxo resultante de hádrons seria isotrópico [igual em todas as direções]. Mas não é o caso. Fluxos reais detectados experimentalmente são anisotrópicos, e a distribuição angular exibe coeficientes de Fourier não nulos, o que nos diz que o plasma não é homogêneo e que suas partículas interagem fortemente. "

Os coeficientes de distribuição são classificados de acordo com suas características geométricas como elípticos, triangular, quadrangular, pentagonal, etc. O fluxo predominante é elíptico, porque o jato de hadron é muito mais forte em uma das direções ortogonais ao eixo de colisão. Esta distribuição, que resulta da forte interação entre quarks e glúons, indica que o plasma não é um gás, mas um líquido. Contudo, não é qualquer líquido. O fato de o escoamento elíptico não ser atenuado mostra que a viscosidade desse líquido é extremamente baixa. Na verdade, um plasma de quark-gluon é o líquido menos viscoso - ou mais perfeito - já descoberto.

"Pesquisas anteriores já haviam mostrado que um plasma de quark-gluon é um líquido quase perfeito. O que nosso estudo acrescentou foi um melhor entendimento da não homogeneidade da distribuição de energia dentro do plasma, "Grassi explicou. Com sua duração muito curta e dimensões mínimas, um plasma quark-gluon é altamente dinâmico. As flutuações fazem com que sua densidade de energia varie de uma região para outra. O estudo oferece uma visão mais profunda da ligação entre essas dinâmicas e flutuações.

"Porque NeXSPheRIO até agora concordou bem com todas as observações feitas até agora no RHIC, acreditamos que suas previsões podem ser usadas como uma base de comparação para novas medições a serem feitas no colisor dos EUA, ", Disse Grassi." Qualquer desvio das previsões fornecerá informações não triviais valiosas, seja sobre a fase inicial da colisão que dá origem ao plasma ou sobre as propriedades intrínsecas do meio ”.