Estrelas de nêutrons no universo, gases atômicos ultrafrios em laboratório e o plasma quark-glúon criado em colisões de núcleos atômicos no Grande Colisor de Hádrons (LHC):eles podem parecer totalmente não relacionados, mas, surpreendentemente, têm algo em comum. Eles são todos um estado de matéria semelhante a um fluido, composto de partículas que interagem fortemente. Os insights sobre as propriedades e o comportamento de qualquer um desses líquidos quase perfeitos podem ser fundamentais para a compreensão da natureza em escalas que estão em ordens de magnitude distintas.

Num novo artigo, a colaboração CMS reporta a medição mais precisa até à data da velocidade a que o som viaja no plasma de quark-glúon, oferecendo novos conhecimentos sobre este estado extremamente quente da matéria.

O som é uma onda longitudinal que viaja através de um meio, produzindo compressões e rarefações da matéria na mesma direção do seu movimento. A velocidade do som depende das propriedades do meio, como densidade e viscosidade. Pode, portanto, ser usado como uma sonda do meio.

No LHC, o plasma quark-glúon é formado em colisões entre íons pesados. Nessas colisões, durante uma fração muito pequena de segundo, uma enorme quantidade de energia é depositada num volume cujo tamanho máximo é o do núcleo de um átomo. Quarks e glúons emergentes da colisão movem-se livremente dentro desta área, proporcionando um estado de matéria semelhante a fluido, cuja dinâmica coletiva e propriedades macroscópicas são bem descritas pela teoria.

A velocidade do som neste ambiente pode ser obtida a partir da taxa com que a pressão muda em resposta a variações na densidade de energia ou, alternativamente, a partir da taxa com que a temperatura muda em resposta a variações na entropia, que é uma medida de desordem em um ambiente. sistema.

Em colisões de íons pesados, a entropia pode ser inferida a partir do número de partículas eletricamente carregadas emitidas nas colisões. A temperatura, por outro lado, pode ser deduzida do momento transversal médio (isto é, o momento transversal ao eixo de colisão) dessas partículas.

Usando dados de colisões chumbo-chumbo a uma energia de 5,02 trilhões de elétron-volts por par de núcleons (prótons ou nêutrons), a colaboração CMS mediu pela primeira vez como a temperatura varia com a entropia em colisões centrais de íons pesados, nas quais o os íons colidem frontalmente e se sobrepõem quase completamente.

A partir desta medição, obtiveram um valor para a velocidade do som neste meio que é quase metade da velocidade da luz e tem uma precisão recorde:em unidades da velocidade da luz, o quadrado da velocidade do som é 0,241, com uma incerteza estatística de 0,002 e uma incerteza sistemática de 0,016. Usando o momento transversal médio, eles também determinaram que a temperatura efetiva do plasma quark-glúon era de 219 milhões de elétronvolts (MeV), com uma incerteza sistemática de 8 MeV.

Os resultados correspondem à expectativa teórica e confirmam que o plasma quark-glúon atua como um fluido feito de partículas que transportam enormes quantidades de energia.

O artigo está publicado no arXiv servidor de pré-impressão.

Mais informações: Extraindo a velocidade do som na matéria fortemente interagente criada em colisões ultrarelativísticas de chumbo-chumbo no LHC, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896
Informações do diário: arXiv

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