As colisões de partículas recriando o plasma quark-gluon (QGP) que preencheu o universo primitivo revelam que as gotas desta sopa primordial rodam muito mais rápido do que qualquer outro fluido. A nova análise de dados do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - um Departamento de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven - mostra que a "vorticidade" do QGP supera a dinâmica do fluido giratório de super - núcleos de tornado de células e a Grande Mancha Vermelha de Júpiter em muitas ordens de magnitude, e ainda bate o recorde de rotação mais rápido detido por nanogotículas de hélio superfluido.

Os resultados, acabado de publicar em Natureza , adicione um novo registro à lista de propriedades notáveis ​​atribuídas ao plasma quark-gluon. Esta sopa feita de blocos de construção fundamentais - quarks e glúons - tem uma temperatura centenas de milhares de vezes mais quente que o centro do sol e uma viscosidade ultrabaixa, ou resistência ao fluxo, principais físicos a descrevê-lo como "quase perfeito". Ao estudar essas propriedades e os fatores que as controlam, os cientistas esperam desvendar os segredos da força mais forte e mal compreendida da natureza - aquela responsável por unir quarks e glúons aos prótons e nêutrons que formam a maior parte da matéria visível no universo hoje.

Especificamente, os resultados de vorticidade, ou movimento fluido em redemoinho, ajudará os cientistas a classificar entre as diferentes descrições teóricas do plasma. E com mais dados, pode dar-lhes uma maneira de medir a força do campo magnético do plasma - uma variável essencial para explorar outros fenômenos físicos interessantes.

"Até agora, a grande história na caracterização do QGP é que ele é um fluido quente que se expande de forma explosiva e flui facilmente, "disse Michael Lisa, um físico da Ohio State University (OSU) e um membro da colaboração STAR do RHIC. "Mas queremos entender esse fluido em um nível muito mais refinado. Ele se termaliza, ou alcançar o equilíbrio, rápido o suficiente para formar vórtices no próprio fluido? E se, como o fluido responde à extrema vorticidade? "A nova análise, que foi liderado por Lisa e o estudante de graduação da OSU Isaac Upsal, dá à STAR uma maneira de obter esses detalhes mais sutis.

Alinhando spins

"A teoria é que se eu tiver um fluido com vorticidade - uma subestrutura em turbilhão - ele tende a alinhar os spins das partículas que emite na mesma direção dos turbilhões, "Lisa disse. E, embora possa haver muitos pequenos redemoinhos dentro do QGP, todos apontando em direções aleatórias, em média, seus giros devem se alinhar com o que é conhecido como momento angular do sistema - uma rotação do sistema gerada pelas partículas em colisão à medida que passam uma pela outra quase à velocidade da luz.

Para rastrear as partículas giratórias e o momento angular, Os físicos do STAR correlacionaram medições simultâneas em dois componentes detectores diferentes. O primeiro, conhecido como Beam-Beam Counters, sentar nas extremidades frontal e traseira do detector STAR do tamanho de uma casa, captura de desvios sutis nos caminhos das partículas em colisão à medida que elas passam umas pelas outras. O tamanho e a direção da deflexão informam aos físicos quanto momento angular existe e para que direção ele está apontando para cada evento de colisão.

Enquanto isso, Câmara de Projeto do Tempo da STAR, uma câmara cheia de gás que circunda a zona de colisão, rastreia os caminhos de centenas ou mesmo milhares de partículas que saem perpendiculares ao centro das colisões.

"Estamos procurando especificamente por sinais de hyperons Lambda, partículas giratórias que decaem em um próton e um píon que medimos na Câmara de Projeção do Tempo, "disse Ernst Sichtermann, porta-voz adjunto do STAR e cientista sênior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE. Como o próton sai quase alinhado com a direção de rotação do hiperon, rastrear onde esses prótons "filhos" atingem o detector pode ser um substituto para rastrear como os spins dos hiperons estão alinhados.

"Estamos procurando alguma preferência sistemática para a direção desses prótons filhos alinhados com o momento angular que medimos nos contadores de feixe, "Upsal disse." A magnitude dessa preferência nos diz o grau de vorticidade - a taxa média de turbilhonamento - do QGP. "

Super giro

Os resultados revelam que as colisões RHIC criam o fluido mais vortical de todos os tempos, um QGP girando mais rápido do que um tornado em alta velocidade, mais poderoso do que o fluido giratório mais rápido já registrado. "Portanto, o fluido mais ideal com a menor viscosidade também tem a maior vorticidade, "Lisa disse.

Isso meio que faz sentido, porque a baixa viscosidade no QGP permite que a vorticidade persista, Lisa disse. "A viscosidade destrói redemoinhos. Com QGP, se você configurá-lo girando, tende a continuar girando. "

Os dados também estão próximos do que diferentes teorias previram para a vorticidade QGP. "Diferentes teorias prevêem diferentes quantidades, dependendo de quais parâmetros eles incluem, portanto, nossos resultados nos ajudarão a classificar essas teorias e determinar quais fatores são mais relevantes, "disse Sergei Voloshin, um colaborador STAR da Wayne State University. "Mas a maioria das previsões teóricas eram muito baixas, "Ele acrescentou." Nossas medições mostram que o QGP é ainda mais vortical do que o previsto. "

Esta descoberta foi feita durante o programa Beam Energy Scan, que explora a capacidade única do RHIC de variar sistematicamente a energia das colisões em uma faixa na qual outros fenômenos particularmente interessantes foram observados. Na verdade, teorias sugerem que este pode ser o intervalo ideal para a descoberta e subsequente estudo do alinhamento de spin induzido por vorticidade, uma vez que se espera que o efeito diminua com energia mais alta.

Aumentar o número de hyperons Lambda rastreados em colisões futuras no RHIC irá melhorar a capacidade dos cientistas do STAR de usar essas medições para calcular a força do campo magnético gerado em colisões RHIC. A força do magnetismo influencia o movimento das partículas carregadas à medida que são criadas e emergem das colisões RHIC, então medir sua força é importante para caracterizar completamente o QGP, incluindo como ele separa partículas com cargas diferentes.

"A teoria prevê que o campo magnético criado em experimentos de íons pesados ​​é muito maior do que qualquer outro campo magnético no universo, "Lisa disse. No mínimo, ser capaz de medi-lo com precisão pode levar a outro registro para QGP.