Durante 30 anos, físicos de todo o mundo têm tentado reconstruir como as partículas vitais se formaram no universo primitivo. ALICE é o seu esforço mais poderoso até agora.
NORMALMENTE, criar um universo não é tarefa do Large Hadron Collider (LHC). A maior parte da ciência árdua – identificar e rastrear bósons de Higgs, por exemplo – do maior acelerador de partículas do mundo acontece quando ele lança humildes prótons quase à velocidade da luz.
Mas durante cerca de um mês, perto do final de cada ano, o LHC muda a sua munição de prótons para balas que são cerca de 208 vezes mais pesadas: íons de chumbo.
Quando o LHC colide esses íons uns com os outros, os cientistas podem – se tiverem resolvido tudo corretamente – vislumbrar uma gota fugaz de um universo como aquele que deixou de existir alguns milionésimos de segundo após o big bang.
Esta é a história do plasma quark-glúon. Pegue um átomo, qualquer átomo. Retire suas nuvens eletrônicas rodopiantes para revelar seu núcleo, o núcleo atômico. Em seguida, corte finamente o núcleo em seus componentes de base, prótons e nêutrons.
Quando os físicos dividiram um núcleo atômico pela primeira vez no início do século 20, isso foi o mais longe que conseguiram. Prótons, nêutrons e elétrons formaram toda a massa do universo – bem, esses, além de traços de partículas eletricamente carregadas de vida curta, como múons. Mas cálculos, aceleradores de partículas primitivos e raios cósmicos que atingem a atmosfera da Terra começaram a revelar uma coleção adicional de partículas esotéricas: kaons, píons, hiperons e outras que parecem dar poderes psíquicos aos alienígenas.
Parecia bastante deselegante da parte do universo apresentar tantos ingredientes básicos. Os físicos logo descobriram que algumas dessas partículas não eram nada elementares, mas combinações de partículas ainda menores, que deram o nome com uma palavra parcialmente inspirada em Finnegans Wake de James Joyce: quarks.
Os quarks vêm em seis “sabores” diferentes, mas a grande maioria do universo observável consiste em apenas dois: quarks up e quarks down. Um próton consiste em dois quarks up e um quark down; um nêutron, dois para baixo e um para cima. (Os outros quatro, em ordem crescente de peso e indefinição: quarks estranhos, quarks charmosos, quarks bonitos e o quark superior.)
Neste ponto termina a lista de ingredientes. Normalmente não é possível transformar um próton ou um nêutron em quarks em nosso mundo; na maioria dos casos, os quarks não podem existir por si próprios. Mas na década de 1970, os físicos encontraram uma solução alternativa: aquecer as coisas. Num ponto que os cientistas chamam de temperatura de Hagedorn, essas partículas subatômicas são reduzidas a uma sopa de quarks de alta energia e às partículas ainda menores que as unem: os glúons. Os cientistas apelidaram essa sopa de plasma de quark-gluon (QGP).
É uma receita tentadora porque, mais uma vez, os quarks e os glúons normalmente não podem existir por si próprios, e reconstruí-los a partir das partículas maiores que eles constroem é um desafio. “Se eu lhe der água, será muito difícil determinar as propriedades [dos átomos de hidrogénio e de oxigénio]”, diz Bedangadas Mohanty, físico do Instituto Nacional de Educação e Investigação Científica da Índia e do CERN. “Da mesma forma, posso fornecer prótons, nêutrons, píons… mas se você realmente deseja estudar as propriedades de quarks e glúons, você precisa deles em uma caixa, de graça.”
Esta não é uma receita que você possa testar em um forno doméstico. Em unidades do mundo quotidiano, a temperatura num sistema hadrónico é de cerca de 3 biliões de graus Fahrenheit – 100 mil vezes mais quente que o centro do Sol. O melhor aparelho para o trabalho é um acelerador de partículas.
Mas não é qualquer acelerador de partículas que serve. Você precisa aumentar suas partículas com energia suficiente. E quando os cientistas decidiram criar o QGP, o LHC não era mais do que um sonho de um futuro distante. Em vez disso, o CERN tinha um colisor mais antigo com apenas cerca de um quarto da circunferência do LHC: o Super Proton Synchrotron (SPS).
Como o próprio nome sugere, o SPS foi projetado para colidir prótons com alvos fixos. Mas no final da década de 1980, os cientistas decidiram tentar trocar os prótons por íons pesados – núcleos de chumbo – e ver o que conseguiam fazer. Experimento após experimento ao longo da década de 1990, os pesquisadores do CERN pensaram ter visto algo acontecendo com os núcleos.
“Para nossa surpresa, já com estas energias relativamente baixas, parecia que estávamos criando plasma de quark-glúon”, diz Marco van Leeuwen, físico do Instituto Nacional Holandês de Física Subatómica e do CERN. Em 2000, sua equipe afirmou ter “evidências convincentes” da conquista.
Durante as breves oscilações pelas quais a matéria quântica existe no mundo, os físicos podem observar o plasma se materializar no que chamam de “pequenos estrondos”.
Do outro lado do Atlântico, os homólogos do CERN no Laboratório Nacional Brookhaven de Long Island têm tentado a sua sorte com partes iguais de otimismo e incerteza. A incerteza desapareceu na virada do milênio, quando Brookhaven ativou o Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC), um dispositivo projetado especificamente para criar o QGP.
“O RHIC foi ativado e estávamos profundamente dentro do plasma de quark-glúon”, diz James Dunlop, físico do Laboratório Nacional de Brookhaven.
Portanto, existem hoje duas grandes fábricas da QGP no mundo: CERN e Brookhaven. Com este par de colisores, durante as breves oscilações pelas quais a matéria quântica existe no mundo, os físicos podem observar o plasma se materializar no que chamam de “pequenos estrondos”.
Indo e voltando no tempo
Quanto mais próximo do Big Bang você estiver, menos o universo se parecerá com o seu universo familiar. No momento em que este livro foi escrito, o Telescópio Espacial James Webb possivelmente observou galáxias de cerca de 320 milhões de anos após o big bang. Vá mais longe e você chegará a uma Idade das Trevas muito literal – uma época antes das primeiras estrelas, quando havia pouco para iluminar o universo, exceto o fundo cósmico.
Nesta era sombria, a astronomia dá lugar constantemente à física subatômica. Se recuarmos ainda mais, até apenas 380 mil anos após o big bang, veremos que os elétrons estão unindo-se aos seus núcleos para formar átomos. Continue voltando; o universo é cada vez menor, mais denso, mais quente. Segundos após o big bang, os prótons e os nêutrons não se uniram para formar núcleos mais complexos que o hidrogênio.
Voltemos ainda mais atrás – cerca de um milionésimo de segundo após o big bang – e o universo estará quente o suficiente para que os quarks e os glúons permaneçam separados. É uma versão em miniatura deste universo que os físicos procuram criar.
Os físicos confundem esse universo em blocos de escritórios como aquele primorosamente modernista com vista para o centro de visitantes do CERN. Olhe pela janela deste edifício e você poderá ver o término de uma linha de bonde de Genebra. Cornavin, a principal estação ferroviária da cidade, fica apenas a 20 minutos.
Os físicos do CERN Urs Wiedemann e Federico Antinori me encontraram em seu escritório. Wiedemann é um físico teórico de formação; Antinori é um experimentalista que preside corridas de colisão de íons pesados. Estudar QGP exige o talento de ambos.
“Estabelecemos a existência de plasma de quark-gluon”, diz Antinori. “O mais interessante é entender que tipo de animal é.”
Por exemplo, os seus colegas que criaram o QGP esperavam encontrar uma espécie de gás. Em vez disso, o QGP se comporta como um líquido. O QGP, na verdade, se comporta como o que chamamos de líquido perfeito, quase sem viscosidade. (Sim, o universo primitivo pode ter sido, muito brevemente, uma espécie de oceano superaquecido. Muitos mitos da criação podem encontrar um espelho distante dentro de um acelerador de partículas.)
Tanto Antinori quanto Wiedemann estão especialmente interessados em observar o líquido surgir, observando os núcleos atômicos se desintegrarem. Alguns cientistas chamam o processo de “transição de fase”, como se criar QGP fosse como derreter neve para criar água líquida. Mas transformar prótons e nêutrons em QGP é muito mais do que derreter gelo; está criando uma transição para um mundo muito diferente, com leis da física fundamentalmente diferentes. “As simetrias do mundo em que vivemos mudam”, diz Wiedemann.
Essa transição aconteceu ao contrário no início do universo, à medida que esfriava além da temperatura de Hagedorn. Os quarks e glúons se aglomeraram, formando os prótons e nêutrons que, por sua vez, formam os átomos que conhecemos e amamos hoje.
Mas os físicos lutam para compreender este processo com a matemática. Eles se aproximam examinando as colisões QGP no laboratório.
O QGP também é um laboratório da força nuclear forte. Uma das quatro forças fundamentais do universo – juntamente com a gravidade, o eletromagnetismo e a força nuclear fraca que governa certos processos radioativos – a força nuclear forte é o que mantém as partículas unidas no coração dos átomos. Os glúons em nome do QGP são as ferramentas da força nuclear forte. Sem eles, as partículas carregadas se repeliriam eletromagneticamente e os átomos se despedaçariam.
No entanto, embora saibamos bastante sobre a gravidade e o eletromagnetismo, o funcionamento interno da força nuclear forte permanece um segredo. Além disso, os cientistas querem aprender mais sobre o papel que a força nuclear forte desempenha.
“Você pode dizer: ‘Eu entendo como um elétron interage com um fóton'”, diz Wiedemann, “mas isso não significa que você entende como funciona um laser. Isso não significa que você saiba por que esta mesa não quebra.”
Novamente, para entender essas coisas, eles precisam colidir íons pesados.
Com sistemas como o SPS, os cientistas puderam observar gotículas de QGP e confirmar que elas existiam. Mas se quisessem realmente olhar para dentro e ver suas propriedades em ação – examiná-las – precisariam de algo mais poderoso.
“Ficou claro”, diz Antinori, “que era preciso recorrer a energias mais elevadas do que as disponíveis no SPS”.
A máquina de falsificar o universo
Atravessando o campus do CERN para França, é impossível dizer que este vale verde e agradável – sob a graça das Montanhas Jura – fica no topo de um anel de 27 quilômetros de comprimento de ímanes supercondutores e aço. Espalhados por esse anel estão diferentes experimentos e detectores. A busca pelo QGP está sediada em um desses detectores.
A estrada passa pela brilhante aldeia de Saint-Genis-Pouilly, onde vivem muitos dos funcionários do CERN. Na periferia pastoral fica um aglomerado de cuboides industriais e torres de resfriamento.
Além de um mural na fachada de metal corrugado com vista para um estacionamento, o complexo não anuncia que é aqui que os cientistas procuram o QGP – que um desses edifícios semelhantes a armazéns é o casulo externo de um grande experimento de colisor de íons chamado, bem, Um experimento de grande colisor de íons (ALICE).
A física do CERN, Nima Zardoshti, me cumprimenta sob aquele mural: o detector de ALICE, o observador QGP, retratado em um mural em tons pastéis. Zardoshti me leva para dentro, passando por uma sala de controle que não pareceria deslocada em um documentário sobre o pouso na Lua, contornando uma esquina coberta de chapas de metal e chegando a um precipício. Um escudo de concreto o cobre, vários andares abaixo. “Esse concreto é o que impede a radiação”, explica.
Abaixo dela, escondido da vista, está o artigo genuíno, uma máquina do tamanho de um pequeno prédio que pesa quase o mesmo que a Torre Eiffel. O detector fica a mais de 180 pés abaixo do solo, acessível por um elevador de mina. Ninguém está autorizado a descer até lá enquanto o LHC estiver em funcionamento, exceto o corpo de bombeiros do CERN, que precisa agir rapidamente caso algum material radioativo ou perigoso entre em combustão.
Os íons pesados que colidem dentro daquela máquina não se originam neste prédio. A vários quilômetros de distância fica o antigo SPS, transformado no primeiro trampolim do LHC. O SPS acelera grupos de núcleos de chumbo até muito perto da velocidade da luz. Quando estiverem prontos, o colisor mais curto os descarrega no mais longo.
Mas, diferentemente do SPS, o LHC não realiza experimentos com alvos fixos. Em vez disso, ALICE cria um aperto magnético que incita feixes de chumbo, correndo em direções opostas, a colidirem violentamente de frente.
Os íons de chumbo são ingredientes finos. Um íon chumbo-208 tem 82 prótons e 126 nêutrons, e ambos são “números mágicos” que ajudam tornando os núcleos tão esféricos quanto os núcleos podem se tornar. Núcleos esféricos criam melhores colisões. (Do outro lado do Atlântico, o RHIC de Brookhaven utiliza íons de ouro.)
O detector de ALICE não é uma câmera; O QGP não é como uma bola de luz que você pode “ver”. Quando esses íons de chumbo colidem em altas energias, eles irrompem em um flash de QGP, que se dissipa em uma tempestade perfeita de partículas menores. Em vez de observar a luz, o detector observa as partículas enquanto elas caem em cascata.
Uma colisão próton-próton pode produzir algumas dezenas de partículas – talvez uma centena, se os físicos tiverem sorte. Uma colisão de íons pesados produz vários milhares.
Quando os íons pesados colidem, eles criam um flash de QGP e jatos pontiagudos de partículas mais “normais”: muitas vezes combinações de quarks pesados, como quarks charm e beauty. Os jatos atravessam o QGP antes de chegarem ao detector. Os físicos podem reconstruir a aparência do QGP examinando esses jatos e como eles mudaram à medida que passavam.
Primeiro, essas partículas colidem com os chips de silício, não muito diferentes dos pixels do seu smartphone. Em seguida, as partículas passam por uma câmara de projeção temporal: um cilindro cheio de gás. Ainda avançando em alta energia, eles disparam através dos átomos de gás como meteoros na atmosfera superior. Eles liberam os elétrons de seus átomos, deixando rastros brilhantes que a câmara pode captar.
Para os fãs de equipamentos de física de partículas, a câmara de projeção temporal torna o experimento ALICE especial. “É muito útil, mas a desvantagem dele, e o motivo pelo qual outros experimentos não o utilizam, é que ele é muito lento”, diz Zardoshti. “Acho que o processo leva aproximadamente algo da ordem de um milionésimo de segundo.”
ALICE cria cerca de 3,5 terabytes de dados – aproximadamente o equivalente a três longas-metragens – a cada segundo. Os físicos processam esses dados para reconstruir o QGP que produziu as partículas. Muitos desses dados são processados aqui mesmo, mas muitos deles também são processados por uma vasta rede global de computadores.
De aceleradores de partículas a estrelas de nêutrons
A física de partículas é um campo que sempre tem um pé estendido por décadas no futuro. Embora o ALICE tenha entrado em operação em 2010, os físicos já haviam começado a esboçá-lo no início da década de 1990, anos antes de os cientistas terem sequer detectado o QGP.
Uma de suas grandes questões atuais é se eles podem produzir QGP esmagando íons menores que o chumbo ou o ouro. Eles já tiveram sucesso com o xenônio; ainda este ano, eles querem experimentar uma substância ainda mais escassa como o oxigênio. “Queremos ver: onde está a transição onde podemos fazer este material?” diz Zardoshti. “O oxigênio já é muito leve?” Eles esperam que o elemento vivificante funcione. Mas na física de partículas, não há certeza até depois do fato.
A longo prazo, os administradores da ALICE têm grandes planos. Depois de 2025, o LHC ficará desligado durante vários anos para manutenção e atualizações, o que aumentará a energia do colisor. Juntamente com essas atualizações, virá uma renovação em grande escala do detector ALICE, programada para instalação já em 2033. Tudo isto está planejado com precisão com muitos anos de antecedência.
Os administradores do CERN ousam elaborar um dispositivo para um futuro ainda mais distante, um Future Circular Collider que seria mais de três vezes o tamanho do LHC e não estaria online até 2050. Ninguém tem certeza ainda se isso vai dar certo; se isso acontecer, será necessário garantir um investimento de mais de 20 bilhões de euros.
Energias mais altas, colisores maiores e detectores mais sensíveis constituem ferramentas mais fortes nos arsenais dos observadores do QGP. As partículas que procuram são minúsculas e de vida incrivelmente curta, e eles precisam dessas ferramentas para ver mais delas.
Mas embora os físicos de partículas tenham gasto milhares de milhões de euros e décadas de esforço para trazer fragmentos do universo primitivo de volta à realidade, alguns astrofísicos pensam que o universo pode ter demonstrado o mesmo zelo.
Em vez de um acelerador de partículas, o universo pode recorrer a um aparelho muito mais poderoso: uma estrela de nêutrons.
Quando uma estrela imensa, muito maior que a massa do nosso Sol, termina a sua vida numa espetacular supernova, o fragmento de núcleo que resta começa a desmoronar. buraco negro. Mas se a massa estiver correta, o núcleo atingirá pressões e temperaturas que poderão simplesmente despedaçar os núcleos atômicos em quarks. É como a experiência ALICE em escala, num cenário mais natural – o universo indisciplinado, onde tudo começou.
Publicado em 07/05/2024 15h19
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