Depois de 20 anos de procura, físicos finalmente viram no plasma uma esteira parecida com a deixada por um barco na água

O que você vai ver

•  O que é uma esteira de difusão e por que ela lembra o rastro de um barco.
•  Por que essa esteira havia sido prevista havia duas décadas, mas nunca observada.
•  Como o CERN conseguiu finalmente detectar o fenômeno.
•  Por que foi preciso analisar milhões de colisões para confirmar o sinal.
•  O que essa descoberta ajuda a explicar sobre a perda de energia de jatos de partículas.

Depois de 20 anos de procura, físicos do CERN finalmente observaram dentro do plasma de quarks e glúons uma esteira que se comporta de forma muito parecida com o rastro deixado por um barco ao cortar a superfície da água.

O que é uma esteira de difusão e por que ela lembra o rastro de um barco?

Uma esteira de difusão é um padrão de ondas que se forma atrás de um objeto em movimento rápido dentro de um fluido, fenômeno bem conhecido na superfície da água: barcos que avançam sobre águas calmas formam um par de esteiras que se abrem num ângulo específico atrás da embarcação, próximo de 19,5 graus em condições ideais.

Os físicos buscavam havia duas décadas um padrão equivalente dentro do plasma de quarks e glúons, estado extremo da matéria em que esse mesmo tipo de onda de pressão poderia se formar atrás de partículas de altíssima energia que atravessam o plasma, de forma análoga ao que ocorre quando um barco corta a água.

Por que essa esteira havia sido prevista havia duas décadas, mas nunca observada?

A previsão teórica desse fenômeno surgiu por volta de 2005 e 2006, quando pesquisadores perceberam que o plasma de quarks e glúons se comporta mais como um líquido do que como um gás, o que tornava plausível, em teoria, a formação de esteiras de difusão semelhantes às observadas em fluidos comuns.

Apesar da previsão consistente, o sinal da esteira de difusão é extremamente sutil dentro do ambiente caótico gerado por colisões de partículas de altíssima energia, o que explica por que duas décadas se passaram entre a previsão teórica e a primeira confirmação experimental direta do fenômeno.

Como o CERN conseguiu finalmente detectar o fenômeno?

A colaboração CMS, no CERN, identificou o sinal ao colidir núcleos de chumbo lançados em direções opostas, com energia total de 5 gigaelétron-volts por colisão, produzindo por frações de segundo um plasma de quarks e glúons com temperatura cerca de 200 mil vezes mais quente do que o núcleo do Sol.

Cada uma dessas colisões gera um plasma extremamente efêmero, com duração estimada em cerca de 10⁻²² segundos, intervalo de tempo tão curto que a própria detecção da esteira de difusão dependeu de técnicas estatísticas capazes de isolar um padrão sutil dentro de um ambiente que existe e desaparece quase instantaneamente.

Por que foi preciso analisar milhões de colisões para confirmar o sinal?

Como o sinal da esteira de difusão é fraco e facilmente confundido com ruído estatístico comum em colisões de partículas, a equipe de pesquisa precisou examinar milhões de colisões individuais para conseguir isolar o padrão com confiança estatística suficiente para anunciar a descoberta.

A pesquisadora Olga Evdokimov, envolvida na análise, descreveu a confirmação como um momento de alívio e entusiasmo para a equipe, já que o maior desafio do projeto não era apenas prever teoricamente o fenômeno, mas conseguir finalmente observá-lo de forma inequívoca depois de duas décadas de tentativas anteriores sem sucesso definitivo.

O que essa descoberta ajuda a explicar sobre a perda de energia de jatos de partículas?

Jatos, que são fluxos concentrados de quarks e glúons produzidos em colisões de altíssima energia, perdem energia ao atravessar o plasma de quarks e glúons, e a confirmação da esteira de difusão mostra que parte dessa perda de energia ocorre justamente por meio de ondas de pressão detectáveis geradas pela passagem do próprio jato através do plasma.

Esse mecanismo ajuda físicos a refinar modelos sobre como a matéria se comportava nos primeiros microssegundos depois do Big Bang, período em que todo o universo observável existia na forma de um plasma de quarks e glúons semelhante, em escala muito maior, ao que é recriado hoje em laboratório dentro dos aceleradores de partículas do CERN.

• Físicos do CERN confirmaram, depois de 20 anos de procura, uma esteira de difusão dentro do plasma de quarks e glúons.
• O fenômeno havia sido previsto por volta de 2005, quando se percebeu que esse plasma se comporta como um líquido.
• A colaboração CMS detectou o sinal em colisões de núcleos de chumbo com energia de 5 GeV por colisão.
• A descoberta ajuda a explicar como jatos de partículas perdem energia ao atravessar esse estado extremo da matéria.

Este artigo dá continuidade ao relato sobre a mina japonesa que ajudou a abastecer de prata redes comerciais no leste da Ásia. Mais detalhes sobre a descoberta estão disponíveis no estudo publicado na Physical Review Letters e na reportagem do Phys.org.

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