Uma aliança de ouro vai derreter a cerca de 1.000 graus Celsius e vaporizar a cerca de 2.800 graus, mas essas mudanças são apenas o começo do que pode acontecer. Aumente a temperatura para trilhões de graus, e partículas profundas dentro dos átomos começam a mudar para configurações novas, não atômicas. Os físicos procuram mapear esses estados exóticos – que provavelmente ocorreram durante o Big Bang, e acredita-se que surjam em colisões de estrelas de nêutrons e poderosos impactos de raios cósmicos – pelo insight que proporcionam nos momentos mais intensos do cosmos.
Agora, um experimento na Alemanha chamado High Acceptance DiElectron Spectrometer (HADES) colocou um novo ponto nesse mapa.
Durante décadas, os experimentalistas usaram poderosos colisores para esmagar o ouro e outros átomos com tanta força que as partículas elementares dentro de seus prótons e nêutrons, chamados quarks, começam a puxar seus novos vizinhos ou (em outros casos) voam completamente livres. Mas como essas fases da chamada “matéria quark” são impenetráveis ??para a maioria das partículas, os pesquisadores estudaram apenas as conseqüências. Agora, porém, detectando partículas emitidas pela própria bola de fogo da colisão, a colaboração do HADES obteve um vislumbre mais direto do tipo de matéria quark que supostamente preenche os núcleos das estrelas de nêutrons que se fundem.
“É um ponto em uma região onde ninguém mais tocou até onde eu sei”, disse Gene Van Buren, físico do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) em Nova York, que investiga uma variedade de energia mais alta de matéria quark chamada plasma de quarks e glúons. “Isso é muito emocionante.”
Os físicos entenderam mais ou menos como a força nuclear forte une os quarks em partículas compostas, como prótons e nêutrons (cada qual um trio de quarks) desde a década de 1970. Mas a teoria da força forte, chamada cromodinâmica quântica (QCD), é tão complicada que ninguém foi capaz de prever exatamente como a matéria se comportará em altas temperaturas e densidades. Os teóricos desenvolveram vários esquemas de aproximação que são válidos em certas situações, mas grandes incertezas dificultam sua extensão. Experimentos como o HADES visam preencher manualmente as lacunas deixadas pela teoria.
Com o método indireto de sondar a matéria do quark, os pesquisadores esperam até que uma bola de fogo esfrie e sua energia se transforme em uma mistura de partículas – um ponto chamado “congelamento”. Elas inferem a temperatura anterior a partir dos números relativos de cada tipo de partícula. Mas as partículas nascidas no congelamento não podem nos dizer muito sobre as origens da bola de fogo, então a colaboração do HADES alavancou um fenômeno diferente: quase tão logo a matéria quark se forma, ela começa a fazer partículas compostas de vida curta chamadas rho mesons. composto de um quark e um antiquark. Os mésons rho imediatamente se transformam em fótons “virtuais” fugazes, cada um dos quais se divide em um elétron e seu gêmeo antimatéria, o pósitron. Essas partículas carregam informações sobre os primeiros momentos da matéria até o detector HADES.
“Não há outros observáveis ??que realmente possam trazer informações tão ricas”, disse Tetyana Galatyuk, um dos 200 membros da colaboração HADES.
O experimento, relatado esta semana na Nature Physics, é o primeiro a medir a temperatura da matéria quark sob condições semelhantes ao interior de uma colisão de estrelas de nêutrons, onde a maioria das partículas é matéria (em oposição à antimatéria). Os esquemas de aproximação da QCD vacilam em ambientes em que a antimatéria e a matéria não existem em quantidades aproximadamente iguais, portanto, essa zona permanece um ponto em branco na teoria.
Quando estrelas de nêutrons – os núcleos super-densos de estrelas mortas – espiralam juntas e colidem, elas sacodem o tecido do espaço-tempo e desencadeiam explosões chamadas kilonovas. Para produzir condições semelhantes, a equipe bateu átomos de ouro, movendo-se quase à velocidade da luz, em um alvo de ouro para criar um amontoado de centenas de prótons e nêutrons tão densos que a teoria não poderia prever o que aconteceria. A explosão resultante acabou em um instante, e pares de elétrons e pósitrons se acumularam no detector que cercava o local do acidente.
“Os prótons e nêutrons dentro da bola de fogo atingiram uma densidade análoga ao efeito da aglomeração da cidade de Nova York em um cubo de açúcar.“
Quando os pesquisadores traçaram as energias desses pares (descontando cuidadosamente pares conhecidos por virem de partículas diferentes de mésons rho), eles descobriram que as energias formavam uma curva exponencialmente decrescente. Se os elétrons e pósitrons tivessem se originado de partículas rho persistentes com uma massa ou energia característica, teria havido um impacto na curva. Sua forma suave era um sinal inconfundível de que o assunto assumira uma forma exótica.
A inclinação da curva registrou a temperatura da bola de fogo em centenas de milhares de vezes a do centro do Sol, e a equipe calculou que seus prótons e nêutrons alcançaram uma densidade análoga ao efeito da aglomeração da cidade de Nova York em um cubo de açúcar. Nessa densidade, os prótons e nêutrons basicamente se sobrepõem, disse Galatyuk. Eles não se dividem em quarks livres, como acontece no plasma de quarks e glúons (uma fase da matéria quark que supostamente preencheu o universo em seus primeiros microssegundos), mas em vez disso começam a se agrupar, agindo mais como clusters de seis ou nove. quarks do que trigêmeos.
Ao confirmar que essa temperatura e densidade correspondem a um estado exótico da matéria, o resultado do HADES deve ajudar os teóricos a calibrar seus cálculos aproximados de QCD e ampliar o leque de situações em que os esquemas de aproximação podem ser aplicados. Colisões em aceleradores de partículas como o RHIC produzem matéria e antimatéria em quantidades iguais, um fato que os pesquisadores usaram para confirmar as previsões de QCD descrevendo essas condições. Mas quanto mais prótons e nêutrons superam seus equivalentes de antimatéria, menos precisos se tornam esses cálculos. Ao olhar para uma bola de fogo rica em prótons e nêutrons, o experimento HADES dá aos teóricos um vislumbre do tipo de física que devem esperar quando há predominantemente essas partículas ao redor.
Van Buren, da RHIC, disse que a nova medição vai virar a cabeça, mas também levanta as sobrancelhas. “Eu sei que as pessoas na minha colaboração estarão muito interessadas em ver o resultado”, disse ele, “e também em questionar como chegaram ao resultado”. Em particular, ele disse que a maneira como a equipe do HADES calculou e removeu o incômodo. pares de elétrons e pósitrons que não vieram de partículas rho precisarão ser examinados.
Se o resultado ficar, ajudará os teóricos a ajustar seus cálculos da fase exata da matéria quark que se forma dentro de estrelas de nêutrons, que têm temperaturas mais baixas e mais nêutrons do que as bolas de fogo do HADES. Galatyuk espera que futuras observações de ondas gravitacionais a partir de colisões de estrelas de nêutrons, bem como medições adicionais de colisores de partículas, ajudará a ampliar e validar tais teorias.
Você pode ler mais sobre a formação dos elementos, inclusive no interior de estrelas de nêutrons, aqui nesse artigo: (todos, do Hidrogênio aos pesados como Urânio)
https://terrarara.com.br/fisica-teorica/a-formacao-dos-elementos/
E sobre as estrelas de nêutrons que se chocaram e formaram os elementos mais pesados do nosso sistema solar aqui: (Somos filhos de estrelas de Nêutrons)
https://terrarara.com.br/astrofisica/pulsares-supernovas/choque-de-estrelas-de-neutrons-originaram-os-elementos-pesados-%e2%80%8b%e2%80%8bdo-sistema-solar/
E alguns dos elementos pesados resultado de supernovas aqui no mesmo lugar onde hoje está o Sol:
https://terrarara.com.br/astrofisica/pulsares-supernovas/metais-pesados-da-terra-sao-resultado-de-explosao-de-supernova/
Publicado em 01/08/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/physicists-peer-inside-a-fireball-of-quantum-matter-20190730/
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