Físicos nucleares que analisam dados do detector PHENIX no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven - publicaram no jornal Física da Natureza evidências adicionais de que as colisões de projéteis minúsculos com núcleos de ouro criam partículas minúsculas do fluido perfeito que preencheu o universo primitivo.

Os cientistas estão estudando essa sopa quente feita de quarks e glúons - os blocos de construção dos prótons e nêutrons - para aprender sobre a força fundamental que mantém essas partículas juntas na matéria visível que constitui o nosso mundo hoje. A capacidade de criar partículas tão minúsculas da sopa primordial (conhecida como plasma quark-gluon) foi inicialmente inesperada e poderia oferecer uma visão sobre as propriedades essenciais desta forma notável de matéria.

"Este trabalho é o culminar de uma série de experimentos projetados para projetar a forma das gotículas de plasma quark-gluon, "disse o colaborador da PHENIX Jamie Nagle, da Universidade do Colorado, Pedregulho, que ajudou a conceber o plano experimental, bem como as simulações teóricas que a equipe usaria para testar seus resultados.

O artigo mais recente da colaboração PHENIX inclui uma análise abrangente de colisões entre pequenos projéteis (prótons únicos, deutérios de duas partículas, e três partículas de hélio-3 núcleos) com grandes núcleos de ouro "alvos" movendo-se na direção oposta quase à velocidade da luz. A equipe rastreou partículas emergentes dessas colisões, em busca de evidências de que seus padrões de fluxo combinavam com as geometrias originais dos projéteis, como seria de se esperar se os minúsculos projéteis estivessem de fato criando um plasma de quark-gluon líquido perfeito.

"RHIC é o único acelerador no mundo onde podemos realizar um experimento tão rigidamente controlado, colidindo partículas feitas de um, dois, e três componentes com o mesmo núcleo maior, ouro, tudo com a mesma energia, "disse Nagle.

Líquido perfeito induz fluxo

O líquido "perfeito" é agora um fenômeno bem estabelecido em colisões entre dois núcleos de ouro no RHIC, onde a intensa energia de centenas de prótons e nêutrons em colisão derrete os limites dessas partículas individuais e permite que seus quarks e glúons constituintes se misturem e interajam livremente. As medições no RHIC mostram que esta sopa de quarks e glúons flui como um líquido com viscosidade extremamente baixa (também conhecida como quase perfeição de acordo com a teoria da hidrodinâmica). A falta de viscosidade permite que gradientes de pressão estabelecidos no início da colisão persistam e influenciem como as partículas que emergem da colisão atingem o detector.

"Se essas condições de baixa viscosidade e gradientes de pressão forem criados em colisões entre pequenos projéteis e núcleos de ouro, o padrão de partículas captado pelo detector deve reter alguma "memória" da forma inicial de cada projétil - esférica no caso dos prótons, elíptico para deuterons, e triangular para núcleos de hélio-3, "disse o porta-voz da PHENIX Yasuyuki Akiba, um físico do laboratório RIKEN no Japão e do RIKEN / Brookhaven Lab Research Center.

A PHENIX analisou medições de dois tipos diferentes de fluxo de partículas (elíptico e triangular) de todos os três sistemas de colisão e os comparou com as previsões do que deveria ser esperado com base na geometria inicial.

"Os dados mais recentes - as medições de fluxo triangular para colisões próton-ouro e deuteron-ouro recentemente apresentadas neste artigo - completam o quadro, "disse Julia Velkovska, um porta-voz adjunto da PHENIX, que liderou uma equipe envolvida na análise na Vanderbilt University. "Esta é uma combinação única de observáveis ​​que permite a discriminação decisiva do modelo."

"Em todos os seis casos, as medições correspondem às previsões com base na forma geométrica inicial. Estamos vendo correlações muito fortes entre a geometria inicial e os padrões de fluxo final, e a melhor maneira de explicar isso é que o plasma quark-gluon foi criado nesses pequenos sistemas de colisão. Esta é uma evidência muito convincente, "Velkovska disse.

Comparações com a teoria

Os padrões de fluxo geométrico são naturalmente descritos na teoria da hidrodinâmica, quando um líquido quase perfeito é criado. A série de experimentos onde a geometria das gotas é controlada pela escolha do projétil foi desenhada para testar a hipótese hidrodinâmica e contrastá-la com outros modelos teóricos que produzem correlações de partículas que não estão relacionadas à geometria inicial. Uma dessas teorias enfatiza as interações da mecânica quântica - particularmente entre a abundância de glúons postulada para dominar a estrutura interna dos núcleos acelerados - como desempenhando um papel importante nos padrões observados em sistemas de colisão em pequena escala.

A equipe da PHENIX comparou seus resultados medidos com duas teorias baseadas na hidrodinâmica que descrevem com precisão o plasma quark-gluon observado nas colisões ouro-ouro do RHIC, bem como aqueles previstos pela teoria baseada na mecânica quântica. A colaboração da PHENIX descobriu que seus dados se ajustam melhor com as descrições de plasma quark-gluon - e não correspondem, particularmente para dois dos seis padrões de fluxo, com as previsões baseadas nas interações dos glúons da mecânica quântica.

O artigo também inclui uma comparação entre as colisões de íons de ouro com prótons e deuterons que foram selecionados especificamente para coincidir com o número de partículas produzidas nas colisões. De acordo com a previsão teórica baseada em interações de glúons, os padrões de fluxo de partículas devem ser idênticos, independentemente da geometria inicial.

"Com tudo o mais sendo igual, ainda vemos um maior fluxo elíptico para ouro-deutério do que para ouro-próton, que se aproxima mais da teoria do fluxo hidrodinâmico e mostra que as medições dependem da geometria inicial, "Velkovska disse." Isso não significa que as interações de glúons não existam, "ela continuou." Essa teoria é baseada em fenômenos sólidos da física que deveriam existir. Mas com base no que estamos vendo e em nossa análise estatística da concordância entre a teoria e os dados, essas interações não são a fonte dominante dos padrões de fluxo final. "

PHENIX está analisando dados adicionais para determinar a temperatura atingida nas colisões de pequena escala. Se quente o suficiente, essas medições seriam mais evidências de suporte para a formação de plasma quark-gluon.

A interação com a teoria, incluindo explicações competitivas, continuará a jogar. Berndt Mueller, Diretor Associado do Brookhaven Lab para Física Nuclear e de Partículas, convocou físicos experimentais e teóricos para se reunirem para discutir os detalhes em um workshop especial a ser realizado no início de 2019. "Este processo de ida e volta de comparação entre medições, previsões, e as explicações são um passo essencial no caminho para novas descobertas, como o programa RHIC demonstrou ao longo de seus 18 anos de operação bem-sucedidos, " ele disse.