O que o plasma quark-gluon - a sopa quente de partículas elementares formada alguns microssegundos após o Big Bang - tem em comum com a água da torneira? Os cientistas dizem que é assim que flui.

Um novo estudo, publicado hoje no jornal SciPost Physics , destacou as semelhanças surpreendentes entre plasma quark-gluon, a primeira matéria que se pensa ter preenchido o Universo primitivo, e água que sai da nossa torneira.

A razão entre a viscosidade de um fluido, a medida de quão corrido é, e sua densidade, decide como isso flui. Embora a viscosidade e a densidade do plasma quark-gluon sejam cerca de 16 ordens de magnitude maiores do que na água, os pesquisadores descobriram que a proporção entre a viscosidade e a densidade dos dois tipos de fluidos é a mesma. Isso sugere que um dos estados de matéria mais exóticos conhecidos em nosso universo sairia de sua torneira da mesma forma que a água.

A matéria que constitui o nosso Universo é feita de átomos, que consistem em núcleos com elétrons em órbita. Os núcleos consistem em prótons e nêutrons conhecidos coletivamente como núcleons e estes, por sua vez, consistem em quarks interagindo via glúons. Em temperaturas muito altas - cerca de um milhão de vezes mais quente do que o centro dos Sun-quarks e glúons se libertam de seus núcleos pais e, em vez disso, formam um denso, sopa quente conhecida como plasma quark-gluon.

Pensa-se que, pouco depois do Big Bang, o universo inicial foi preenchido com plasma de quark gluon incrivelmente quente. Isso então resfriou microssegundos depois para formar os blocos de construção de toda a matéria encontrada em nosso universo. Desde o início dos anos 2000, os cientistas têm sido capazes de recriar experimentalmente plasma quark-gluon usando grandes colisores de partículas, que forneceu novos insights sobre este exótico estado da matéria.

Acredita-se que a matéria comum que encontramos diariamente tenha propriedades muito diferentes do plasma quark-gluon encontrado nos primórdios do Universo. Por exemplo, fluidos como a água são governados pelo comportamento de átomos e moléculas que são muito maiores do que as partículas encontradas no plasma quark-gluon, e são mantidos juntos por forças mais fracas.

Contudo, o estudo recente mostra que, apesar dessas diferenças, a proporção de viscosidade e densidade, conhecido como a viscosidade cinemática, está próximo tanto no plasma quark-gluon quanto nos líquidos comuns. Essa proporção é importante porque o fluxo de fluido não depende apenas da viscosidade, mas é governado pela equação de Navier-Stokes, que contém densidade e viscosidade. Portanto, se essa proporção for a mesma para dois fluidos diferentes, esses dois fluidos fluirão da mesma maneira, mesmo que tenham viscosidades e densidades muito diferentes.

Mais importante, não é qualquer viscosidade de líquido que coincide com a viscosidade do plasma quark-gluon. De fato, a viscosidade do líquido pode variar em muitas ordens de magnitude, dependendo da temperatura. Contudo, há um ponto muito particular onde a viscosidade do líquido tem um limite inferior quase universal. Pesquisas anteriores descobriram que, nesse limite, a viscosidade do fluido é governada por constantes físicas fundamentais, como a constante de Planck e a massa do núcleo. São essas constantes da natureza que, em última análise, decidem se um próton é uma partícula estável, e governam processos como a síntese nuclear em estrelas e a criação de elementos bioquímicos essenciais para a vida. O estudo recente descobriu que é esse limite inferior universal de viscosidade de fluidos comuns como a água que se torna próximo da viscosidade do plasma de quark-gluon.

Professor Kostya Trachenko, Professor de Física na Queen Mary University of London e autor do artigo recente, disse:"Ainda não entendemos totalmente a origem dessa semelhança notável, mas achamos que ela poderia estar relacionada às constantes físicas fundamentais que estabelecem o limite inferior universal de viscosidade tanto para líquidos comuns quanto para plasma quark-gluon."

"Este estudo fornece um exemplo bastante raro e encantador de onde podemos fazer comparações quantitativas entre sistemas extremamente díspares, "continua o professor Matteo Baggioli da Universidad Autónoma de Madrid." Os líquidos são descritos pela hidrodinâmica, o que nos deixa com muitos problemas em aberto que estão atualmente na vanguarda da pesquisa em física. Nosso resultado mostra o poder da física em traduzir princípios gerais em previsões específicas sobre propriedades complexas, como o fluxo de líquido em tipos exóticos de matéria como o plasma de quark-gluon. "

Compreender o plasma quark-gluon e seu fluxo está atualmente na vanguarda da física de alta energia. As forças fortes entre quarks e glúons são descritas pela cromodinâmica quântica, uma das teorias físicas mais abrangentes que existem. No entanto, embora a cromodinâmica quântica forneça uma teoria da força nuclear forte, é muito difícil resolver e entender as propriedades do plasma quark-gluon usando apenas isso.

"É concebível que o resultado atual possa nos fornecer uma melhor compreensão do plasma quark-gluon, "acrescentou o professor Vadim Brazhkin, da Academia Russa de Ciências." A razão é que a viscosidade em líquidos, no seu mínimo, corresponde a um regime muito particular de dinâmica de líquidos que entendemos apenas recentemente. A semelhança com o QGP sugere que as partículas neste sistema exótico se movem da mesma forma que na água da torneira. "