Pesquisadores do Niels Bohr Institute e da ALICE produziram plasma de quarks e glúons ao acelerar partículas leves a quase a velocidade da luz. Reproduziu o estado de matéria do primeiro milionésimo de segundo.

Pesquisadores do Niels Bohr Institute e da colaboração ALICE conseguiram reproduzir uma forma de matéria que existiu nos primeiros instantes do Universo. Em colisões entre núcleos de oxigênio-16 e neônio-20 acelerados quase à velocidade da luz, o experimento no CERN gerou um plasma de quarks e glúons, a forma mais antiga de matéria conhecida.

Esse estado extremo teria dominado o Universo durante seu primeiro milionésimo de segundo, um período em que a temperatura era tão elevada que prótons e nêutrons ainda não se formavam e quarks e glúons permaneciam livres. O resultado mostrou que núcleos bem menores que o chumbo podem, de fato, produzir esse plasma primordial.

Como foi o experimento

Tipos de núcleos: oxigênio-16 e neônio-20 foram usados nas colisões.
Velocidade: os núcleos foram acelerados a velocidades próximas à da luz.
Resultado: o choque gerou uma pequena gota de plasma de quarks e glúons.
Informação carregada: as partículas produzidas carregaram dados sobre a estrutura dos núcleos.

O plasma existiu por uma fração de segundo e, por ser efêmero, não pôde ser observado diretamente. A estratégia dos cientistas foi estudar as assinaturas deixadas pelas partículas que emergiram após o choque: o padrão do conjunto de partículas refletiu a geometria do núcleo inicial. Com oxigênio, a distribuição apareceu mais arredondada; com neônio, assumiu uma configuração que os pesquisadores compararam a um pino de boliche.

“Nós ampliamos o limite de quão pequenos os núcleos atômicos podem ser e ainda assim reproduzir essa matéria primordial — o que poderíamos chamar de um Pequeno Big Bang.”

Essa delimitação das condições necessárias para a formação do plasma ajuda a conectar duas frentes de investigação: a estrutura interna dos núcleos atômicos e os processos que ocorreram durante o nascimento do Universo. A geometria nuclear, além de ser um aspecto de forma, indica como prótons e nêutrons se organizam e ilumina propriedades da força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza.

“É um pouco como iluminar um objeto e observar sua sombra”,

explicou Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, pesquisador de pós-doutorado do Niels Bohr Institute e coautor do estudo, ao descrever o método de inferir a estrutura nuclear a partir do movimento das partículas remanescentes. A técnica aproveita colisões extremas em vez de estudos apenas em baixas energias para revelar marcas sutis na distribuição final das partículas.

“O que é fascinante é que podemos usar o mesmo experimento tanto para aprender sobre a estrutura dos núcleos atômicos quanto para entender melhor o que aconteceu durante o nascimento do Universo.”

O trabalho recorda a longa tradição do Niels Bohr Institute no estudo da estrutura nuclear — Aage Bohr recebeu o Nobel de Física em 1975 por contribuições nessa área — e abre caminho para novos testes. O próximo passo anunciado pelos pesquisadores foi trabalhar com núcleos ainda menores, como hélio-4, para descobrir até que ponto é possível reduzir o tamanho do núcleo e ainda produzir plasma de quarks e glúons.

Além de oferecer insights sobre os instantes iniciais do cosmos, os resultados demonstraram um método prático para mapear a organização interna dos núcleos usando colisões de alta energia, ampliando o leque de ferramentas experimentais para física nuclear e física de altas energias.