O plasma quark-gluon é formado como resultado de colisões de alta energia de íons pesados. Depois de uma colisão, por uma dúzia ou mais de yoctossegundos (10 ^-24 segundos), este mais perfeito de todos os fluidos conhecidos sofre rápida expansão hidrodinâmica com velocidades próximas à velocidade da luz. Uma equipe internacional de cientistas, associado ao PAN IFJ e ao Centro GSI, apresentou um novo modelo que descreve esses fluxos extremos. Pela primeira vez, efeitos resultantes da rotação quântica das partículas são levados em consideração.

Cada próton e cada nêutron são compostos de vários quarks ligados por fortes interações carregadas por partículas intermediárias chamadas glúons. Quando íons pesados ​​formados por prótons e nêutrons próximos à velocidade da luz colidem uns com os outros, eles geralmente são destruídos, transformando-se em um plasma quark-gluon exótico. Devido à sua viscosidade insignificante, este plasma é considerado o fluido mais perfeito do universo. Novas medições experimentais, Contudo, sugerem que as partículas que saem do plasma exibem um arranjo não trivial de suas direções de rotação. Para explicar esses resultados, um grupo de cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia e do Centro de Pesquisa de Íons Pesados ​​GSI Helmholtz em Darmstadt (Alemanha) apresentou um novo modelo de fluxos relativísticos de plasma quark-gluon, levando em consideração os fenômenos decorrentes do spin quântico das partículas que o formam.

Por cerca de dez microssegundos após o Big Bang, plasma quark-gluon preencheu todo o Universo. Contudo, ele esfriou rapidamente e os glúons agruparam os quarks em grupos - as partículas das quais nosso mundo é construído. Como resultado, fluido quark-gluon hoje só pode ser visto como o efeito de colisões de alta energia de íons pesados ​​(e, possivelmente, também de sistemas de colisão menores consistindo de prótons e íons). Colisões desse tipo estão sendo realizadas atualmente em apenas alguns centros aceleradores no mundo.

O fluxo de fluidos e gases é tratado na hidrodinâmica, um campo que está em desenvolvimento há séculos. Após o surgimento da teoria da relatividade, a hidrodinâmica clássica foi estendida por fenômenos relativísticos, que ocorre quando o fluido flui em velocidades próximas à velocidade da luz. Após o nascimento da teoria quântica, a hidrodinâmica foi estendida por descrições do fluxo de partículas com spin.

Spin é um recurso de partículas elementares associadas às propriedades de suas funções de onda relativas à rotação. Só pode assumir valores discretos, por exemplo. 0, 1/2, 1, 3/2, etc. A direção do spin das partículas com spin 1/2 pode ser igual a +1/2 ou -1/2 em relação a qualquer eixo. A polarização diferente de zero de partículas com spin 1/2 significa que as partículas produzidas têm maior probabilidade de assumir uma direção de spin (+1/2 ou -1/2).

"A hidrodinâmica é uma ferramenta excelente para descrever muitos fenômenos físicos. Ampliamos seu escopo de aplicabilidade. Somos os primeiros a apresentar uma descrição coerente dos fluxos de partículas relativísticas com spin 1/2, "explica o Prof. Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), que em colaboração com o grupo do Prof. Bengt Friman (GSI) desenvolveu um novo modelo de fluxo.

O trabalho no modelo de fluxos relativísticos com spin foi inspirado em medições recentes da polarização de spins de partículas conhecidas como hyperons Lambda (estes são conglomerados de três quarks:up, baixo e estranho, com um giro total de 1/2), registrados em colisões de íons pesados. Os físicos há muito vêm experimentando na tentativa de entender melhor a polarização dos hiperons lambda. As medições, Contudo, estavam sujeitos a uma incerteza considerável. Recentemente, em experimentos realizados no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, foi mostrado que os spins dos hyperons Lambda se formaram em colisões de núcleos pesados ​​que são polarizados.

Já se sabe há muito tempo que o spin de um objeto quântico contribui para o seu momento total. Por exemplo, em materiais ferromagnéticos, o efeito Einstein-de Haas pode ser observado. Quando um sistema não polarizado é colocado em um campo magnético, o spin das partículas começa a se orientar de acordo com o campo magnético, o que significa que para manter o momento angular total, o sistema deve começar a girar. A observação da polarização dos hiperons lambda formados como resultado das transformações do plasma quark-gluon indica, portanto, a dificuldade de ignorar o papel do spin na formação do fluxo desse plasma.

O modelo apresentado pelo grupo de físicos da IFJ PAN e GSI é uma generalização da hidrodinâmica do fluido perfeito. Uma vez que há spin nos sistemas descritos, o princípio da conservação do momento angular deveria ter sido incluído na descrição teórica.

“Assim como a temperatura está associada ao princípio de conservação de energia, velocidade com o princípio de conservação do momento, e potencial elétrico com o princípio de conservação da corrente de carga, então, nos sistemas descritos por nós, A polarização do spin está associada ao princípio da conservação do momento. Quando você leva este princípio em consideração, você obtém equações adicionais, descrevendo melhor a evolução do sistema, "explica o Prof. Florkowski.

O plasma de quark-gluon é um estado da matéria tão exótico que, por décadas, as aplicações tecnológicas estarão fora de alcance. Contudo, esses estudos têm implicações importantes hoje. Fluxos relativísticos de partículas com spin são uma nova janela para o mundo de fortes interações, que, entre outras coisas, ligam quarks em prótons e nêutrons. Assim, interações fortes desempenham um papel muito importante no universo, mas são extremamente complicados de descrever. Portanto, pesquisadores esperam que em fluxos relativísticos com spin seja possível conhecer um pouco melhor esses efeitos.