O Large Hadron Collider (LHC) no CERN geralmente colide prótons. São essas colisões próton-próton que levaram à descoberta do bóson de Higgs em 2012. Mas o maior acelerador do mundo também foi projetado para esmagar íons pesados, principalmente os núcleos dos átomos de chumbo, e isso acontece todos os anos por cerca de um mês. E por pelo menos duas boas razões. Primeiro, as colisões de íons pesados ​​no LHC recriam em condições de laboratório o plasma de quarks e glúons que se pensa ter existido logo após o Big Bang. Segundo, as colisões podem ser usadas para testar e estudar, nas mais altas temperaturas e densidades causadas pelo homem, previsões fundamentais da cromodinâmica quântica, a teoria da força forte que une quarks e glúons em prótons e nêutrons e, finalmente, em todos os núcleos atômicos.

O LHC não foi a primeira máquina a recriar a matéria do Big Bang:em 2000, experimentos no Super Proton Synchrotron no CERN encontraram evidências convincentes do plasma quark-gluon. Cerca de cinco anos depois, experimentos no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) no Brookhaven National Laboratory nos Estados Unidos deram início a uma era de investigação detalhada do plasma quark-gluon. Contudo, nos 10 anos desde que atingiu colisões com energias mais altas do que seus antecessores, o LHC levou os estudos do plasma quark – gluon a níveis incríveis. Ao produzir um mais quente, plasma quark-gluon mais denso e de vida mais longa, bem como um maior número e variedade de partículas com as quais sondar suas propriedades e efeitos, o LHC permitiu que os físicos estudassem o plasma quark-gluon com um nível de detalhe sem precedentes. O que mais, a máquina forneceu alguns resultados surpreendentes ao longo do caminho, estimulando novos estudos teóricos sobre este estado da matéria.

"No livro-texto definitivo sobre a teoria da interação forte, o capítulo sobre o plasma quark-gluon será preenchido com números de dados do LHC, "diz o porta-voz do experimento ALICE, Luciano Musa.

"Esses números se destacam em precisão de dados e alcance cinemático, e eles são os primeiros a nos informar sobre como as propriedades semelhantes ao plasma do quark-gluon emergem gradualmente à medida que se faz a transição de colisões próton-próton para íons pesados. "

Rota de colisão pesada

Quando núcleos pesados ​​se chocam no LHC, as centenas de prótons e nêutrons que compõem os núcleos liberam uma grande fração de sua energia em um pequeno volume, criando uma bola de fogo de quarks e glúons. Esses pequenos pedaços de plasma quark-gluon só existem por momentos fugazes, com os quarks e glúons individuais, conhecidos coletivamente como partons, formando rapidamente partículas compostas e antipartículas que voam em todas as direções. Ao estudar o zoológico de partículas produzidas nas colisões - antes, durante e depois que o plasma é criado - os pesquisadores podem estudar o plasma desde o momento em que é produzido até o momento em que ele esfria e dá lugar a um estado em que partículas compostas chamadas hádrons podem se formar. Contudo, o plasma não pode ser observado diretamente. Sua presença e propriedades são deduzidas das assinaturas experimentais que deixa nas partículas que são produzidas nas colisões e sua comparação com modelos teóricos.

Esses estudos podem ser divididos em duas categorias distintas. O primeiro tipo de estudo investiga as milhares de partículas que emergem coletivamente de uma colisão de íons pesados, fornecendo informações sobre o global, propriedades macroscópicas do plasma quark-gluon. O segundo tipo se concentra em vários tipos de partículas com grande massa ou momento, que são produzidos mais raramente e oferecem uma janela para o interior, funcionamento microscópico do meio.

No LHC, esses estudos são conduzidos pelas colaborações por trás de todos os quatro experimentos principais do LHC:ALICE, ATLAS, CMS e LHCb. Embora ALICE tenha sido inicialmente projetado especificamente para investigar o plasma quark-gluon, os outros três experimentos também se juntaram a esta investigação.

Propriedades globais

O LHC forneceu dados que permitiram aos pesquisadores derivar com maior precisão do que anteriormente alcançado várias propriedades globais do meio.

"Se ouvirmos dois instrumentos musicais diferentes com os olhos fechados, podemos distinguir entre os instrumentos mesmo quando eles estão tocando a mesma nota. O motivo é que uma nota vem com um conjunto de tons que dão ao instrumento um som distinto e único. Este é apenas um exemplo de como os tons secundários são simples, mas poderosos, na identificação de propriedades materiais. Os físicos de íons pesados ​​aprenderam como fazer uso de "sobretons" em seu estudo do plasma quark-gluon. O estágio inicial de uma colisão de íons pesados ​​produz ondulações no plasma que viajam através do meio e excitam sobretons. Esses sobretons podem ser medidos analisando o fluxo coletivo de partículas que voam para fora do plasma e alcançam os detectores. Embora as medições anteriores tenham revelado apenas as primeiras indicações desses tons, os experimentos do LHC os mapearam em detalhes. Combinado com outros avanços em precisão, esses dados têm sido usados ​​por teóricos para caracterizar as propriedades do plasma, como sua temperatura, densidade de energia e resistência ao atrito, que é menor do que qualquer outro fluido conhecido, "explica Wiedemann.

Essas descobertas foram então apoiadas de várias maneiras. Por exemplo, a colaboração ALICE estimou a temperatura do plasma estudando fótons que são emitidos pela bola de fogo quente. A temperatura estimada, cerca de 300 MeV (1 MeV é cerca de 10 ¹⁰ Kelvin), está acima da temperatura prevista necessária para o plasma ser criado (cerca de 160 MeV), e é cerca de 40% superior ao obtido pelo colisor RHIC.

Outro exemplo é a estimativa da densidade de energia do plasma no estágio inicial das colisões. ALICE e CMS obtiveram um valor na faixa de 12 a 14 GeV por femtômetro cúbico (1 femtômetro é 10 ^-15 metros), cerca de duas a três vezes maior do que o determinado pelo RHIC, e novamente acima da densidade de energia prevista necessária para a formação do plasma (cerca de 1 GeV / fm ³ )

O LHC forneceu não apenas mais partículas, mas também tipos mais variados de partícula para sondar o plasma quark-gluon.

"O LHC nos deu acesso a uma ampla gama de sondas, "diz a coordenadora de física do ALICE, Andrea Dainese.

"Junto com detectores de partículas de última geração que cobrem mais área ao redor dos pontos de colisão, bem como métodos sofisticados de identificação e rastreamento de partículas, esta ampla paleta ofereceu uma visão sem precedentes sobre o funcionamento interno e os efeitos do plasma quark-gluon. "

Para dar alguns exemplos, logo após o início do LHC, ATLAS e CMS fizeram a primeira observação direta do fenômeno de têmpera a jato, em que jatos de partículas formados nas colisões perdem energia ao cruzar o meio de plasma quark-gluon. As colaborações encontraram um desequilíbrio notável nas energias dos pares de jatos, com um jato quase completamente absorvido pelo meio.

Outro exemplo diz respeito aos quarks pesados. Essas partículas são excelentes sondas do plasma quark-gluon porque são produzidas nos estágios iniciais de uma colisão de íons pesados ​​e, portanto, experimentam toda a evolução do plasma. A colaboração ALICE mostrou mais recentemente que quarks pesados ​​"sentem" a forma e o tamanho do plasma quark-gluon, indicando que mesmo os quarks mais pesados ​​se movem com o meio, que é feito principalmente de quarks leves e glúons.

Os experimentos do LHC, em particular ALICE e CMS, também melhoraram significativamente nossa compreensão da "fusão" hierárquica no plasma dos estados ligados de um quark pesado e seu antiquark, chamado quarkonia. Quanto mais fracamente limitados os estados são, mais facilmente eles vão derreter, e, como resultado, menos abundantes eles serão. CMS foi o primeiro a observar essa supressão hierárquica para estados de bottomonium, que consiste em um quark bottom e seu antiquark. E ALICE revelou que, enquanto a forma mais comum de estados de charmonium, que são compostos de um quark charme e seu antiquark, é altamente suprimido devido ao efeito do plasma, também é regenerado pela recombinação de quarks charme e antiquarks. Este fenômeno de recombinação, observado pela primeira vez no LHC, fornece um campo de teste importante para modelos teóricos e fenomenologia, que forma um elo entre os modelos teóricos e os dados experimentais.

Surpresas em sistemas menores

Os dados do LHC também revelaram resultados inesperados. Por exemplo, a colaboração ALICE mostrou que a produção aumentada de hádrons estranhos (partículas contendo pelo menos um quark estranho), que é tradicionalmente visto como uma assinatura do plasma quark-gluon, surge gradualmente nas colisões próton-próton e próton-chumbo conforme o número de partículas produzidas nas colisões, ou "multiplicidade", aumenta.

Outro caso em questão é o início gradual de uma característica semelhante a um fluxo com a forma de uma crista com multiplicidade crescente, que foi observado pela primeira vez pelo CMS em colisões próton-próton e próton-chumbo. Este resultado foi posteriormente apoiado por observações de ALICE e ATLAS do surgimento de recursos de crista dupla em colisões próton-chumbo.

"A descoberta do comportamento semelhante ao de íons pesados ​​em colisões próton-próton e próton-núcleo no LHC é uma virada de jogo, "diz Wiedemann.

"Os dados do LHC eliminaram a visão de longa data de que as colisões próton-próton produzem conjuntos de partículas de fluxo livre, enquanto as colisões de íons pesados ​​produzem um plasma quark-gluon totalmente desenvolvido. E eles nos dizem isso nos pequenos sistemas de colisão próton-próton há mais mecanismos físicos em ação do que se pensava tradicionalmente. O novo desafio é entender, dentro da teoria da força forte, como as propriedades do tipo quark-gluon emergem gradualmente com o tamanho do sistema de colisão. "

Esses são apenas exemplos de como 10 anos de LHC avançaram bastante o conhecimento dos físicos sobre o plasma quark-gluon e, portanto, sobre o universo primitivo. E com os dados da segunda execução da máquina ainda sendo analisados ​​e mais dados vindo da próxima execução e do LHC de alta luminosidade, o sucessor do LHC, uma compreensão ainda mais detalhada deste estado único da matéria está fadada a emergir, talvez com novas surpresas na mistura.

"A próxima década no LHC oferece muitas oportunidades para uma maior exploração do plasma quark-gluon, "diz Musa." O aumento de dez vezes esperado no número de colisões chumbo-chumbo deve aumentar a precisão das medições de sondas conhecidas do meio e nos dar acesso a novas sondas. Além disso, pretendemos explorar colisões entre núcleos mais leves, o que poderia lançar mais luz sobre a natureza do médium. "