Partículas emergindo até mesmo das colisões de energia mais baixa de pequenos deutérios com grandes núcleos pesados ​​no Colisor de Íons Pesados ​​Relativísticos (RHIC) - um Departamento de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE - exibem cientistas de comportamento associados a formação de uma sopa de quarks e glúons, os blocos de construção fundamentais de quase toda a matéria visível. Esses resultados do experimento PHENIX do RHIC sugerem que essas colisões em pequena escala podem estar produzindo minúsculas, partículas de matéria de vida curta que imitam o que era o universo primitivo há quase 14 bilhões de anos, logo após o Big Bang.

Cientistas construíram RHIC, em grande parte, para criar este "plasma de quark-gluon" (QGP) para que eles pudessem estudar suas propriedades e aprender como a força mais forte da Natureza une quarks e glúons para formar os prótons, nêutrons, e átomos que compõem o universo visível hoje. Mas eles inicialmente esperavam ver sinais de QGP apenas em colisões altamente energéticas de dois íons pesados, como o ouro. As novas descobertas - correlações na forma como as partículas emergem das colisões que são consistentes com o que os físicos observaram nas colisões de íons grandes mais energéticas - se somam a um crescente corpo de evidências do RHIC e do Grande Colisor de Hádrons da Europa (LHC) de que o QGP pode ser criado em sistemas menores também.

A colaboração da PHENIX submeteu os resultados em dois artigos separados aos periódicos Cartas de revisão física e revisão física C, e apresentará esses resultados em uma reunião em Cracóvia, Polônia esta semana.

"Estes são os primeiros documentos que saem das colisões deutério-ouro de 2016, e esta é uma indicação de que provavelmente estamos criando QGP em sistemas pequenos, "disse Julia Velkovska, um porta-voz adjunto da PHENIX da Vanderbilt University. "Mas há outras coisas que vimos nos sistemas maiores que ainda temos que investigar com esses novos dados. Estaremos procurando outras evidências de QGP nos sistemas pequenos usando diferentes maneiras de estudar as propriedades do sistema que estão criando, " ela disse.

Fluxo coletivo

Um dos primeiros sinais de que as colisões de dois íons de ouro do RHIC estavam criando QGP veio na forma de "fluxo coletivo" de partículas. Mais partículas emergiram do "equador" de dois íons colidindo semi-sobrepostos do que perpendiculares à direção da colisão. Este padrão de fluxo elíptico, cientistas acreditam, é causado pelas interações das partículas com o líquido QGP quase "perfeito" - o que significa fluxo livre - criado nas colisões. Desde então, colisões de partículas menores com íons pesados ​​resultaram em padrões de fluxo semelhantes no RHIC e no LHC, embora em uma escala menor. Também há evidências de que os padrões de fluxo têm uma forte relação com a forma geométrica da partícula do projétil que está colidindo com o núcleo maior.

"Com esses resultados em mãos, queríamos tentar sistemas cada vez menores com energias diferentes, "Velkovska disse." Se você mudar a energia, você pode alterar o tempo que o sistema permanece na fase líquida, e talvez fazê-lo desaparecer. "

Em outras palavras, eles queriam ver se podiam desligar a criação do QGP.

"Depois de tantos anos, aprendemos que quando o QGP é criado nas colisões, sabemos como reconhecê-lo, mas isso não significa que realmente entendemos como funciona, "Velkovska disse." Estamos tentando entender como o comportamento do fluido perfeito surge e evolui. O que estamos fazendo agora - diminuindo a energia, mudar o tamanho - é um esforço para aprender como esse comportamento surge em diferentes condições. RHIC é o único colisor no mundo que permite tal gama de estudos sobre diferentes energias de colisão com diferentes espécies de partículas em colisão. "

Reduzindo a energia

Durante um período de cerca de cinco semanas em 2016, a equipe PHENIX explorou colisões de deuterons (feitos de um próton e um nêutron) com íons de ouro em quatro energias diferentes (200, 62,4, 39, e 19,6 bilhões de elétron-volts, ou GeV).

"Graças à versatilidade do RHIC e à capacidade da equipe do Departamento de Colisor-Acelerador de Brookhaven para alternar e ajustar rapidamente a máquina para diferentes energias de colisão, PHENIX foi capaz de registrar mais de 1,5 bilhão de colisões neste curto período de tempo, "Velkovska disse.

Para o artigo submetido à PRC, Darren McGlinchey, um colaborador da PHENIX do Laboratório Nacional de Los Alamos, conduziu uma análise de como as partículas emergiram ao longo do plano elíptico das colisões em função de seu momento, quão centrais (totalmente sobrepostas) as colisões foram, e quantas partículas foram produzidas.

"Usar um projétil Deuteron produz uma forma altamente elíptica, e observamos uma persistência dessa geometria inicial nas partículas que detectamos, mesmo com baixa energia, "McGlinchey disse. Essa persistência de forma pode ser causada pela interação com um QGP criado nessas colisões." Este resultado não é evidência suficiente para declarar que o QGP existe, mas é uma prova de montagem para isso, " ele disse.

Ron Belmont, um colaborador PHENIX da Universidade do Colorado, conduziu uma análise de como os padrões de fluxo de partículas múltiplas (duas e quatro partículas em cada energia e seis na energia mais alta) estavam correlacionados. Esses resultados foram submetidos ao PRL.

"Encontramos um padrão muito semelhante nas correlações de duas e quatro partículas para todas as energias diferentes, e em correlações de seis partículas na energia mais alta também, "Belmont disse.

"Ambos os resultados são consistentes de que o fluxo de partículas é observado até a energia mais baixa. Assim, os dois papéis trabalham juntos para pintar um bom quadro, " ele adicionou.

Existem outras explicações possíveis para as descobertas, incluindo a existência postulada de outra forma de matéria conhecida como condensado de vidro colorido que se pensa ser dominado pela presença de glúons dentro do coração de toda matéria visível.

"Para distinguir o condensado de vidro colorido do QGP, precisamos de descrições teóricas mais detalhadas de como essas coisas se parecem, "Belmont disse.

Velkovska observou que muitos novos alunos foram recrutados para continuar a análise dos dados existentes do experimento PHENIX, que parou de coletar dados após a execução de 2016 para dar lugar a um detector renovado conhecido como sPHENIX.

"Há muito mais vindo de PHENIX, " ela disse.