Provando a Receita da “Sopa Cósmica Primordial”

Nucleossíntese primordial – Conjunto de reações termonucleares, que originaram a criação dos “elementos leves”. – Surge logo após as eras hadrônica e leptônica, com a separação da força eletrofraca pelo esfriamento da sopa primordial de quarks/glúons.sem-tituloOs “núcleos primogênitos” pré-existentes… se formaram a partir do plasma de quarks-glúons do Big Bang — quando o universo se esfriou … abaixo dos 10 milhões de graus.       A este processo se pode chamar “nucleogênese” – a geração de núcleos no Universo.

Após o Big Bang, com o passar do tempo a temperatura do universo, que no início seria extremamente alta, caiu progressivamente. Contudo, enquanto a temperatura estivesse acima de um certo limite, não haveria formação de átomos, pois tendo os elétrons alta energia cinética… não se ligariam aos prótons… — Livres … os elétrons estavam aptos a absorver fótons de quaisquer energias. – Assim…todo o universo era opaco à radiação.  Quando a temperatura baixa até um certo limite…os elétrons se ligam aos prótons num processo que chamamos ‘recombinação‘, e a radiação dispersa no universo está livre para se propagar… — O universo nessa etapa é dito transparente à radiação… (Dextter)

nucleossíntese é o processo de criação de novos núcleos atômicos a partir dos núcleos pré-existentes de prótons e neutrons (‘era hadrônica’), até chegar à geração do restante dos elementos da “tabela periódica“… – Os elétrons (‘era leptônica’)…atraídos pela carga oposta, começam a se juntar aos prótons, formando hidrogênio (elemento primordial)

O hélio (primordial) por sua vez…é composto de prótons, e neutrons (esquema ao lado). E, a temperatura no universo, ainda era bastante alta,  para gerar algum lítio… A posterior  ‘nucleossíntese’ dos elementos mais pesados [Hélio e Lítio (partes) mais todo o Carbono, Oxigênio, etc…] foi forjada no interior das estrelas, por reações nucleares de fusão, e fissão. ***********************************************************************************

“No início do universo…quando a temperatura equivalia a 100 mil vezes a                            do núcleo solar  —  os quarks tinham energia suficiente para se mover em                      liberdade, em relação aos glúons” (‘Fronteiras do Universo’ – P. Halpern)

O professor Jun Takahashi chegou ao ‘Instituto de Física Gleb Wataghin’, da Unicamp, em 2005…aceitando um convite para trabalhar emfísica de partículas, bem como participar em outro projeto internacional, referente ao…”Observatório Pierre Augerna ArgentinaTakahashi porém, traçou um objetivo paralelo…o de formar na Universidade…um grupo de pesquisa em “física de altas energias” – focado em…’plasma de quarks e glúons‘.

Conhecer como aconteceu essa “transição de fase”… de uma ‘sopa primordial’ de quark/glúons para matéria de prótons e neutrons, aglomerados em núcleos… é essencial ao conhecimento científico. 

Essa sopa escaldante, a temperaturas na ordem de bilhões de graus centígrados, teria sido a forma inicial da matéria…existente nos primeiros 10 microssegundos que sucederam ao “Big Bang“… há 13,8 bilhões de anos atrás. – Passado este ‘instante infinitesimal’…a sopa começou a esfriar tão rapidamente quanto se expandia… aprisionando os quarks e glúons, permanentemente, dentro de prótons e neutrons – num conjunto denominado hádrons. Formavam-se assim as ‘partículas fundamentais’, que interagindo entre si, resultaram em toda matéria agora presente no universo… – E, Takahashi complementa…explicando que:

“Na física de partículas, geralmente se promove a colisão entre prótons;                              que são partículas elementares. – Mas, há uma área chamada ‘física de                              íons pesados relativísticos’, onde núcleos pesados… – como de ouro…ou                            chumbo, são colididos, a fim de criar um sistema energético elevado ao                            extremo, em condições semelhantes às presentes logo após o Big Bang”.  

Estas colisões altamente energéticas, são provocadas por enormes aceleradores de partículas…assim como o RHIC (‘Colisor Relativístico de Íons Pesados’) — situado              no “Laboratório de Brookhaven”…EUA. — “Foi lá que pensamos ter reproduzido o        plasma de quarks e glúons, a partir da colisão de átomos de ouro. – Os ‘hádrons’          (prótons e neutrons), simplesmente derreteram, transformando-se então na ‘sopa primordial’. O professor da Unicamp acrescenta que, nos pontos de colisão, foram realizados 4 experimentos por meio de sofisticados detetoresque registravam os destroços subatômicos. – Batizados de…”Brahms”…”Phobos”…”Phoenix” e “Star”,            cada experimento foi projetado…construído e operado por equipes internacionais independentes… Todos experimentos já foram encerradosmas Takahashi ainda participa do ‘STAR’ (sua tese de ‘doutorado’ na USP…se baseou na construção de              um detetor – empregando em seu equipamento – uma nova tecnologia de silício).

Experimento Star – experimento de milhões de dólares, que reúne 550 colaboradores de 12 países, representando cerca de 50 instituições.

Experimento Star – experimento de milhões de dólares, que reúne 550 colaboradores de 12 países, representando cerca de 50 instituições.

Takahashi observa que, na área da ‘física de partículas’…trabalha-se sempre com muitos parceiros de várias partes do mundo, o que sempre exige uma forma rápida e barata na troca de ideias e informações. Foi pensando nisso aliás, que cientistas do CERN criaram  a World Wide Web, ou internet. E explica:

“Embora nosso objetivo seja entender as leis fundamentais da natureza, muita tecnologia é gerada em tais experimentos. Pode ser que não haja aplicações imediatas – mas…com a demanda … criamos a tecnologia necessária, que muitas vezes…se torna útil à sociedade”.

Takahashi antecipa que o mesmo Laboratório CERN está preparando – o que seria uma 2ª etapa da internet, uma rede denominada Grid, conectando computadores do mundo inteiro. – A inspiração veio de outra demanda dos experimentos… como ele exemplifica:

“No meu computador pessoal… analisar todos os dados                                gerados no experimento Alice demoraria anos…Mesmo                                    mil máquinas empregadas, ainda seriam insuficientes”. 

Ele lembra que na sua própria tese de doutorado…envolvendo um novo detetor de silício para o acelerador Rhic, recorreu a uma tecnologia semelhante à das câmeras digitais… A mesma tecnologia que está sendo adaptada para radiografia, já que o detetor é bem mais sensível que o filme de raio-X… evitando assim, uma dose maior de radiação ao paciente.  Também em laboratórios da Alemanha, Japão e EUA… “aceleradores de prótons”…estão sendo construídos…a fim de depositar o feixe diretamente nos tumores…afetando assim, uma região bem menor do paciente. E, este “tiro no tumor pode ser ainda mais certeiro, caso o feixe de antiprótons, em testes no CERN, seja liberado para este tipo de aplicação.

A próxima fronteira, para o professor do IFGW/Unicamp…está no experimento “Alice“,    a ser realizado no LHC (“Large Hadron Collider”) – o novo e descomunal acelerador de partículas do Laboratório CERN…que deve entrar em operação no próximo ano… – Seu anel tem circunferência de 27 km…a 100 metros abaixo do solo. – E, Takahashi conclui:

“Vamos dar continuidade aos estudos do plasma de quarks e glúons, mas agora, em regime de energia cerca de 30 vezes maior…produzindo raras partículas, como as que contêm quarks ‘charmososeBottom’, em maior frequência – registrando assim … maior volume de informação”(2007)  ********************************************************************

Universo era líquido… logo após ao Big Bang  

Logo depois do Big Bang, nos primeiros instantes de sua existência, o Universo não era apenas muito quente e denso, mas também tinha uma consistência líquida…Este é o 1º resultado dos mini Big Bangs…reproduções em escala reduzida daquilo que deve ter acontecido no surgimento do Universo — gerados quando íons de chumbo começam a colidir, depois de acelerados nos 27 km do anel do ‘Grande Colisor de Hádrons’ (LHC).

ALICE-universo-liquido

Esta é uma imagem de uma colisão real de núcleos de chumbo, captada pelo experimento ALICE. Os traços representam o caminho das partículas, os “cacos” que voam para todos os lados depois da colisão.[CERN]

experimento ALICE, um dos 4 grandes sistemas do LHC, construído sob medida para estudar os mini ‘Big Bangs’, detetou após cada colisão entre ‘íons de chumbo’,  cerca de 18 mil partículas. – A previsão é que os ‘choques‘ gerem temperaturas, de até 10 milhões ºC. Desse modo…calcula-se que a matéria derreta – numa espécie de plasma de quark/glúons, também conhecido, como… sopa primordialResultados preliminares descartam… de antemão uma série de modelos teóricos; incluindo a previsão de comportamento gasoso… dentro destes níveis de energia.

Embora pesquisas anteriores feitas no acelerador RHIC, em energias mais baixas, indicassem que as ‘bolas de fogo’ produzidas nas colisões nucleares se comportassem como um líquido… muitos físicos ainda esperavam que o “plasma de quark-glúons“…nas energias muito mais elevadas do LHC,  se comportasse como um gás… — Mas… não foi bem isso o que aconteceu.

Na física de partículas, geralmente se promove a colisão de prótons com prótons…que são partículas minúsculas. Porém, há uma área chamada ‘física de íons pesados relativísticos, onde se colidem núcleos pesados – como ouro ou chumbo, a fim de criar um sistema com energia extremamente elevada – em condições similares àquelas, logo após o “Big Bang“.

“Assim como, quando a água na chaleira, colocada para ferver, vira vapor, supunha-se que a matéria… sob temperaturas extremas  –  se comportasse como um gás idealde quarks e glúons. Entretanto, o QGP medido se comportou mais como um… ‘líquido perfeito‘… – com viscosidade zero”, explicou David Evans… – coordenador do experimento ALICE. (nov/2010)  **********************************************************************

coletivo LHC

Embora a referência seja sempre feita ao LHC, que é o acelerador como um todo, suas peças principais são os sensores que detectam os resultados dos impactos das partículas que colidem. São 4 aparelhos: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), LHCb (LHC Beauty), ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) e CMS (Compact Muon Solenoid). [Imagem: CERN]

A ‘sopa primordial’ (nov/2013)

A descoberta mais famosa do ‘Grande Colisor de Hádrons’ … (LHC/CERN) foi sem sombra de dúvidas, a deteção da partícula elementar do ‘bóson de Higgs‘, que explica a origem massiva de todas partículas elementares. Mas, essa não é a única novidade…surgida das colisões produzidas…desde 2009.

Enquanto o “BH” foi descoberto pela análise das colisões “próton x próton”, parte dos cientistas … envolvidos nos experimentos do LHC… – estão mais interessados em núcleos atômicos de chumbo colidindo uns com os outros.

A energia dessas colisões desfaz os prótons e neutrons em seus componentes elementares, partículas indivisíveis chamadas quarks e glúons. – Por um brevíssimo instante, após a colisão, os quarks e glúons formam um estado pouco conhecido…o plasma de quarks e glúons, atingido quando prótons e neutrons se dissolvem em um denso líquido… 250 mil vezes mais quente que o Sol. – Como explica Jun Takahashi, físico da Unicamp, que integra a equipe do “Alice“…(único detector do LHC projetado para colisões de chumbo).

“A energia extrema dessas colisões recria as mesmas condições da matéria nuclear…nos primórdios do Universo. Estudar o ‘comportamento coletivo’ dos quarks e glúons, portanto, ajuda a entender como o Universo evoluiu”. 

Os físicos acreditam que … até cerca de 10 milionésimos de segundo após o Big Bang,  há 13,8 bilhões de anos… – o Universo era preenchido por um…”mar de quarkse glúons” – ou “sopa primordial – que, ao esfriar, originou os prótons e neutrons.  O fato da matéria do Universo atual estar unida em galáxias, estrelas…e planetas, e não dispersa no espaço… em uma nuvem uniforme de gás e poeira… é graças – em parte, à ondulações na “sopa primordial”.  Outro mistério que envolve a interação  quarks/glúons é a origem da massa. O “bóson de Higgs” explica apenas a massa de partículas/antipartículas elementares  (elétrons, múons, e os 6 tipos de quarks).

Como os elétrons são extremamente leves, a massa dos átomos vem quase toda do núcleo, feito de prótons e neutrons… Essas partículas se compõem da união de trios de quarks,  ligados pela “força nuclear fortetransmitida por partículas sem massa – os glúons, emitidos e absorvidos por quarks. A soma da massa dos quarks do prótonou do neutron, representa apenas 1% de sua massa total… A ‘energia de interação entre seus quarks e glúons responde pelos 99% restantes. Com efeito, desde os anos 1970 os físicos acreditam ter encontrado as leis gerais que descrevem a “força nuclear forte“… todavia, ninguém entende bem os detalhes do movimento coletivo dos quarks e glúons…E Takahashi relata:

“É como o caso da água. – Sabemos que é feita de moléculas de H2O,              mas conhecer isso não nos diz como a água se transforma em vapor;            que, de fato…é resultado do comportamento coletivo das moléculas”.

No Universo atual, quarks e glúons nunca estão isolados…Tanto os quarks, quanto suas antipartículas (antiquarks) estão sempre unidos em partículas compostas, que recebem     o nome de hádrons – esses hádrons podem ser, como os prótons e neutrons…feitos de trios de quarks (bárions) ou de pares de quarks e antiquarks (mésons). A razão desse “enlace fatal”…é que – ao contrário das demais “forças fundamentais” da natureza…que perdem intensidade com a distância, a ‘força nuclear forte’ aumenta à medida que 2 quarks se afastam um do outro… – Como explica David Chinellato…físico da ‘Unicamp’:

“Pense em 2 bolas conectadas por um elástico. Quando uma se afasta da outra… – a tensão no elástico aumenta… e, quando elas se aproximam o suficiente, a tensão desaparece, e então, as bolas se movimentam livres”. 

O objetivo das colisões de núcleos pesados é comprimir prótons e neutrons até que seus quarks e glúons fiquem soltos por um instante. A energia da colisão também cria novos pares de quarks e antiquarks, além de outras partículas elementares… – Em seguida…a temperatura e densidade no ponto de colisão…diminuem – e os quarks se recombinam, formando milhares de novos hádrons… cujas trajetórias são registradas pelos detetores.

Em novembro de 2010, o LHC interrompeu suas colisões entre prótons isolados, e realizou por 1 mês suas primeiras colisões de núcleos de chumbo – com uma energia cerca de 14 vezes maior que a das colisões no RHIC. Em novembro de 2011…e no início de 2013…mais colisões de chumbo se repetiram. Alguns modelos teóricos previam, nesse nível de energia, que quarks e glúons se comportariam como gás, o observado porém foi um ‘estado líquido semelhante ao registrado no…RHIC – onde, estima-se que as gotas do plasma de quarks e glúons produzidas no LHC…sejam 2 vezes maiores que as do RHIC, com sua temperatura, podendo chegar…aos 7 trilhões de graus…(250 mil vezes a temperatura do núcleo do Sol).

As colisões de chumbo no LHC são estudadas por quase 1.200 pesquisadores de 36 países que trabalham no detetor ‘ALICE’. A participação brasileira no experimento é coordenada pelo físico Alejandro Szanto de Toledo, que trabalhou no RHIC até 2006. Ele, e os colegas Alexandre Suaide…e Marcelo Munhoz, da USP, estudam hádrons feitos de quarks do tipo  charm e bottom… – milhares de vezes mais pesados que os quarks up e down…elementos constituintes dos ‘prótons‘ e ‘neutrons‘… – A esse respeito, Munhoz também comenta:

“O interessante é que esses quarks precisam de muita energia para se formar. Eles surgem bem no início da colisão…e por isso podem contar   toda sua história … pela interação com tudo que se forma em seguida”. 

Uma expectativa dos pesquisadores era que os hádrons de quarks mais pesados perderiam menos energia que os de quarks mais leves ao atravessar o plasma, assim como uma pedra gigante sofre menos a ação da correnteza do rio, que um pedregulho. Contudo, isso não foi ainda observado no RHIC…nem no LHC… – Diante disso, Munhoz também complementa:

“Ou não entendemos direito como os quarks perdem energia,                             ou desconhecemos … algumas das propriedades do plasma”. 

Takahashi e Chinellato se concentram em analisar os hádrons feitos de quarks mais leves, produzidos em maior quantidade nas colisões. Chinellato coordena os trabalhos de estudo dos hádrons com o quark strange…cerca de 100 vezes mais pesado que quarks up e down.  Em artigo divulgado em julho no ArXiv, os pesquisadores do ALICE observaram que… em certa faixa de momentum (grandeza de energia das partículas)…as colisões de chumbo tendem a produzir mais bárions (trios) contendo quarks strange do que mésons (duos) de quarks strange, efeito esperado por algumas teorias…Mas, inesperadamente…também foi observado efeito semelhante – de intensidade menor…em colisões de ‘núcleos de chumbo contra prótons’, nas quais – a princípio, o plasma não deveria se formar…Para Takahashi:

“Há vários mecanismos físicos possíveis para a explicação.                          Ainda estamos tentando entender…qual o mais adequado”. 

http://ippog.web.cern.ch/resources/2010/cms-photo-book-compact-muon-solenoid-experiment-lhc

Novos  fenômenos… — envolvendo ‘núcleos pesados também estão sendo pesquisados … em um outro detetor do LHC, o ‘Compact Muon Solenoid’ (‘CMS‘), com a presença de 3 mil cientistas — de 40 países;  incluindo os grupos da UFABC, a cargo de Sergio Novaes…e Unesp, onde a física Sandra Padula aplica técnicas, às trajetórias produzidas nas colisões…para uma estimativa do tamanho e movimento coletivo de partículas, e suas propriedades.

Um dos efeitos observados da colisão entre núcleos de ouro no RHIC… – e núcleos de chumbo no LHC proporcionou várias tentativas de explicação… Uma delas, considera        que a estrutura surge porque… com o plasma se assemelhando a um líquido escoando      sem viscosidade…as partículas que se formam refletiriam tal comportamento coletivo.    Nas colisões frontais de núcleos atômicos…com efeito…produz-se mais partículas sub-atômicas do que o previsto por alguns modelos teóricos. – A “bola de fogo”, resultante        da colisão dura apenas um período muito curto de tempo. Mas, quando a ‘sopa‘ esfria,      são observadas milhares dessas partículas brilhando… É o caminho delas… que é visto      nas imagens. Analisando tais detritos tiram-se conclusões do comportamento da sopa.

Indícios de que quarks poderiam se libertar de hádrons e mésons começaram a surgir nos anos 1980 e 1990 no acelerador Super Próton Synchrotron do CERN… Porém, a descoberta do ‘plasma de quarks e glúons’ só veio a ocorrer em 2005, quando pesquisadores do “Colisor de Íons Pesados”…(RHIC)…EUA,   anunciaram evidências suficientes da produção de um estado em que quarks e glúons estariam livres do confinamento dentro de ‘hádrons’, não tão soltos…no entanto, assim como “moléculas de um gás ideal”.

Para surpresa de todos, os quarks e os glúons pareciam formar uma      gota de líquido capaz de fluir perfeitamente…quase sem viscosidade.

Agora, físicos teóricos descobriram a 1ª solução matemática que descreve a expansão dessa gota de plasma de quark e glúons. Apelidado de ‘sopa primordial cósmica’, esse plasma é criado, quando núcleos atômicos pesados colidem nos grandes aceleradores    de partículas…tipo LHC e RHIC. – As propriedades da gota de plasma em expansão, porém…só podem ser calculadas, aproximadamente…em simulações computacionais.      ‘A Receita da Sopa Primordial’#‘Universo Primordial Líquido’#“Sopa de quark/glúons”  *********************************************************************************

Encontrada uma solução exata para modelar o Big Bang (dez/2014)                      “Desde a última década, ao se considerar fluido o ‘plasma de quarks e glúons”,                muito trabalho tem havido … modelando a sua evolução pela hidrodinâmica”. 

Ao contrário da matemática, é raro encontrar soluções exatas aplicáveis em problemas da física…que – normalmente… se contentam com aproximações. Apesar disso, uma solução exata aos primeiros instantes do Universo, acaba de ser apresentada por uma equipe – da qual faz parte o físico Jorge Noronha da USP. O grupo formulou a primeira solução exata que descreve um sistema se expandindo a velocidades relativísticas longitudinais/radiais, como se acredita ter ocorrido no início da história do Universo… – logo após o “Big Bang”.

A equação agora resolvida… foi criada originalmente pelo físico Ludwig Boltzmann…em 1872, para modelar a dinâmica de fluidos e gases. Boltzmann estava bem à frente de seu tempo, uma vez que…quando propôs a equação – ele apenas supunha que a matéria era atômica por natureza, e que a dinâmica dos sistemas poderia ser entendida, analisando apenas, os processos de colisões entre conjuntos de átomos (só aceitos bem mais tarde).

Hidrodinâmicacom, e sem equilíbrio

solucao-exata

A solução se aplica a uma grande variedade de contextos da física, das colisões de partículas subatômicas às colisões de galáxias.[Gabriel S. Denicol et al]

O modelo mais aceito para o início do Universo (“Big Bang”) contempla a rápida expansão de uma singularidade, quando o próprio espaçotempo nasceu e expandiu-se…numa época conhecida como “inflação cósmica“… – Nesse modelo…de 20 a 30 microssegundos após a explosão o Universo era um mar de “plasma de quarks e glúons, com temperaturas e densidades elevadíssimas. — Os físicos acreditam que esse plasma tinha características de um fluido…e, por isso, usam equações da hidrodinâmica para estudá-lo… Como a equação de Boltzmann não está limitada ao caso de um sistema em equilíbrio térmico – ou mesmo, próximo desse equilíbrio, para Michael Strickland (Kent University) orientador da equipe:

“Os 2 tipos de expansão (com…e sem equilíbrio) ocorrem em colisões de íons pesados relativísticos…devendo-se incluir ambos…numa descrição dinâmica realista. A nova solução exata tem os 2 tipos de expansão… e,  pode ser usada para nos dizer qual quadro hidrodinâmico é o melhor.”

alice

Partículas formadas em colisão de núcleos de chumbo, registradas pelo detetor Alice – LHC, gerando hádrons estranhos, do choque de núcleos pesados, bem como de prótons texto

A solução expansiva da Sopa Primordial

Físicos teóricos descobriram a ‘primeira solução matemática’ que melhor descreve a expansão de uma gota do plasma de quark e glúons… — mais conhecido por… “sopa cósmica primordial“; estado que a matéria alcança, quando prótons e neutrons de núcleos atômicos…se dissolvem em um líquido 250 mil vezes mais quente que o Sol.

Esse plasma é criado em pequenas quantidades, quando núcleos atômicos pesados…colidem nos aceleradores de partículas, como ‘LHC’ e ‘RHIC’.

Segundo o físico da ‘Universidade de São Paulo’:  “pela complexidade dos cálculos… – não havia como garantir a qualidade dos resultados.    As propriedades da gota de plasma em expansão … só poderiam ser calculadas, de modo aproximado, por simulações…como descrito em novembro/2013. Mas agora… é possível verificar se os cálculos estão corretos… – Nossa solução afinal…virou um teste padrão”.

Segundo a equipe, a solução encontrada se aplica a grande variedade de contextos físicos, e ajudará os pesquisadores a criar melhores modelos estruturais de galáxias, explosões de supernovas, e colisões de partículas de alta energia, como as produzidas no LHC… Nestas colisões de partículas… em especial, os aceleradores criam um plasma de quarks e glúons de alta temperatura e curta duração, muito similar ao que se acredita ter sido o estado do Universo, milissegundos após o Big Bang. #### (texto base 1) #### (texto base 2) #### ***********************************************************************************  Desde o dia em que o físico teórico Philip Anderson – em 1987 … propôs o conceito de líquidos de spin quânticos…cientistas de diversas instituições buscam transformar a ideia em realidade. – Mais recentemente, pesquisadores do ‘MIT’ conseguiram realizar o feito. – OQSLé um tipo de magnetismo onde a orientação das partículas varia devido a forte interação quântica entre elas, como se estas fossem parte de um líquido. (MITnews)    *******************************(texto complementar)*******************************

Sopa primordial cósmica é criada em colisões de partículas leves (jul/2019)        “O experimento apresentou uma ‘anisotropia azimutal‘ na distribuição das partículas geradas pela colisão. Isto é, as partículas resultantes da colisão não foram produzidas          na mesma quantidade em todas direções. – O padrão de distribuição dos elétrons que observamos é característico da assinatura do plasma de quarks e glúons”.  (H. Zanoli)

As deteções iniciais do “plasma de quarks e glúons” foram feitas em 2010 a partir da colisão de 2 núcleos atômicos de elementos pesados, como chumbo e ouro, no ‘LHC’.        Mas agora a colaboração ALICE, que coordena um de seus grandes detetores obteve        uma das assinaturas características desse plasma na colisão de prótons com núcleos          de chumbo. O resultado conseguido a partir de precursores muito mais leves do que anteriormentefoi alcançado graças ao altíssimo patamar de energia das partículas durante a colisão, de 5,02 teraelétrons-volt (5,02 TeV ou 5,02 x 10e12 elétrons-volt).

Produção do plasma de quarks e glúonsanisotropia

A imagem acima ilustra o que aconteceu no experimento e seus resultados. O primeiro quadro mostra o próton (p) e o núcleo de chumbo (Pb) instantes antes da colisão. Nos momentos iniciais da colisão…são produzidos quarks pesados, e ao redor deles, forma-      se o “plasma de quarks e glúons”… como se vê no 2º quadro. – Com a rápida queda da temperatura, este plasma se desintegra, e os quarks pesados combinam-se com outros quarks para formar vários tipos de hádrons, entre eles partículas efêmeras conhecidas como mésons D e B (como se vê no 3º quadro). No 4º quadro, decaimento de hádrons.

Algumas vias desse decaimento produzem elétrons. — E foi justamente a ‘anisotropia’ na distribuição das trajetórias dos elétrons resultantes… que indicou a possível produção do plasma de quarks e glúons. Essa é uma assinatura que é associada à produção do plasma. E o físico brasileiro Henrique Zanoli, membro da colaboração ALICE…ainda explica que:

“O grande diferencial do experimento que estudei foi quenele — os resultados finais da colisão permitem concluir que — os quarks pesados foram produzidos na etapa inicial do processo, e não em etapas posteriores, como ocorre em outras medidas com quarks leves. Esses quarks pesados — que são produzidos antes do plasma… e o atravessam, fornecem informações sobre ele… – assim como uma emissão de ‘pósitrons’, que atravessa o corpo humano, fornece informações sobre esse corpo… em uma tomografia. — Se as partículas estudadas tivessem sido produzidas no fim do processo, tal analogia seria inválida e não poderíamos afirmar com base no resultado final as características desse plasma formado. Mas…produzidos no início – os quarks pesados se tornam marcadores muito confiáveis”.

O plasma de quarks e glúons é tema de muita pesquisa por 2 motivos… Primeiro, porque agora é possível produzi-lo experimentalmente em “colisores”… – como o LHC e o RHIC. Segundo, porque possibilita compreender o Universo primordial, e também o que ocorre em objetos astrofísicos, como “estrelas de neutrons”…De acordo com o chamado modelo padrão sobre a origem do Universo, numa ínfima fração de segundo após o “Big Bang”, o universo era feito de um plasma composto por partículas elementares…conhecidas como quarks e glúons… – Com a rápida expansão… e o consequente resfriamento, aquele meio informe e intensamente dinâmico se fragmentou e cada pequeno conjunto de quarks e glúons deu origem a uma partícula composta – os “hádrons”…por exemplo, os “prótons”.

Um patamar de 5 TeV não é tão alto quando se pensa num objeto macroscópico, formado por uma quantidade enorme de partículas…distribuídas em um grande volume…Todavia, quando se divide 5 TeV pelo volume de 1 próton…o resultado é uma densidade energética a que somente agora a humanidade pôde ter acesso em escala de laboratório. (texto base***********************************************************************************

Quarks livres podem existir fora de uma partícula fundamental?…                        Cada átomo é composto de elétrons (lepton)…com carga mais leve, e um núcleo atômico composto de prótons e neutrons. Dentro de cada um destes, existem quarks e glúons: os constituintes de todos bárions e mésons já criados em aceleradores de partículas e ‘raios cósmicos’. — Mas, será que os quarks fora desses… “estados ligados”… poderiam existir?

particles-modelopadrão

Partículas e antipartículas são preditas no Modelo Padrão como consequência das leis físicas. Quarks, antiquarks e gluons são representados por cores e anti-cores. (E. Siegel)

Toda matéria conhecida no universo é composta de partículas do ‘Modelo Padrão’— Dentre estas partículas,fótons‘ e ‘neutrinos‘ – percorrem continuamente o universo (viajando à velocidade da luz)superando em número – todas as outras partículas.

Porém, a matéria normal (bariônica) composta por átomos, mesmo em muito menor quantidadepode ser considerada…bem mais importante, em termos de “massa” e “energia“.

O Modelo Padrão de partículas elementares representa nossa mais completa compreensão da matéria, cujas propriedades são conhecidas no Universo. Todos férmions…que incluem quarks e leptons, têm massa e cargas fundamentais, as quais determinam que forças agem sobre eles…Bósons são as partículas responsáveis ​​pelas forças e interações entre férmions.  Férmions eletricamente carregados se acoplam ao fóton, através da força eletromagnética. Férmions – com decaimento radioativo… se acoplam aos bósons W/Z…experimentando a força fraca. Já os quarks (e antiquarks), são férmions com cargas representadas por cores, que interagem pela ‘força forte’ mediada por glúons. Quarks também têm cargas elétricas, e a força elétrica se caracteriza por quanto mais próximas suas cargas estiverem, maior será a forçaquanto maior a magnitude de suas cargas, maior a força que experimentam;  e, finalmente — cargas de sinais opostos se atraem…enquanto de mesmo sinal se repelem.

Mas a força forte, que atua na cor, é fundamentalmente diferente, em 2 modos importantes. Primeiro, em vez de um tipo de carga (sempre positiva e atrativa,              como gravidade), ou 2 tipos de carga (positiva e negativa…eletromagnetismo),              existem 3 tipos de carga de cor…vermelho, verde e azul. E segundo, quando as              cargas coloridas se aproximam a força cai para zero apenas se tornando                    substancial quando as cargas são separadas… Tal surpreendente propriedade              contra-intuitiva de interação das forças fortes (‘liberdade assintótica‘) não                pode ser encontrada em nenhuma outra das chamadas “forças fundamentais”.

Para se ter uma ideia sobre como a força forte funciona – dois pontos básicos são relevantes para a questão: 1) A força forte é de maior magnitude do que qualquer          outra força no Universo… — exceto em escalas de distância extremamente curtas,          onde se aproxima de zero. 2) Todas configurações estáveis ​​de quarks, antiquarks,                e gluons são neutras (carga cor total = zero) – o que requer 3 quarks… (vermelho                + azul + verde = branco) – 3 antiquarks [ciano + amarelo + magneta] – ou ainda,            uma combinação de quark/antiquark – onde… [ciano (vermelho complementar),      amarelo (azul complementar) e magneta (verde complementar)… – ou múltiplos.

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Combinações de 3 quarks (Red/Green/Blue) ou 3 antiquarks (Ciano/Magenta/Amarelo) são incolores (branco/preto), assim como combinações de quarks e antiquarks. Nas trocas de glúons para manter essas entidades estáveis, nenhuma delas com resultante de carga cor é capaz de existir na natureza.

Não há como, sob as leis da física, haver uma interação produzindo cor resultante;        sempre que houver uma cor, deve ser produzida igual quantidade de sua “anti-cor”.

Se nosso objetivo for produzir um ‘quark livre’, independente de qualquer vínculo que limite o estado de uma partícula – teremos que ser muito espertos … pois as melhores tentativas a princípio imaginadas…por razões não muito intuitivas…irão falhar. Por exemplo…ao tentarmos separar, uma da outra, as 2 componentes (quarks/antiquark)      de um méson, se, empregássemos força suficiente – talvez… superando a ‘força forte’, pudéssemos separá-las… – criando, dessa forma…2 partículas (quark e antiquark), totalmente isoladas… — com suas respectivas cargas cores então acopladas.

particle-adventure

WTHE PARTICLE ADVENTURE / LBNL / PARTICLE DATA GROUP

Uma boa ideiamas impraticável. Acontece que…ao inserirmos uma certa quantidade de energia nessa tentativa de separar os elementos, criamosespontaneamente(do vácuo) novo par antiquark/quark, de acordo com a relação: E = mc²,  de Einstein… Ou seja… criamos 2 mésonsonde antes só havia um.

Podemos também pensar em colidir 2 partículas, como prótons, numa velocidade próxima a da luz. Afinal, assim talvez pudéssemos, dos escombros dessa colisão…distinguir – quem sabe, com a ajuda de ultra sofisticados detetores, um quark (ou antiquark, ou gluon)…ou 2 ou 3 fora do confinamento em que se encontrava anteriormente – mas com extraordinária velocidade e energia de escape. Entretanto, quando fazemos justamente isso, e instalamos nossos detectores – não vemos quarks livres passando por eles. Em vez disso, percebemos um número enorme de partículas elementares em estado de confinamento todas se movendo na mesma direção – no que os físicos chamam…jatos de partículas. Devido às regras da Cromodinâmica Quântica (QCD)…a teoria que governa as interações fortes, tais partículas livres são proibidas, sofrendo portanto a chamada “hadronização”, onde vários bárions e/ou mésons são produzidos, a partir desse potencial virtual do quark ou glúon.

Tais cenários podem não fornecer o “quark livre” que se procura, mas isso não significa que tais quarks sejam impossíveis. Em vez dissopensar em como e por que essas tentativas sempre falham, pode nos levar a entender uma maneira de como a criação de quarks livres seja, de fato, possível!

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O quark top é o elemento conhecido mais massivo no “Modelo Padrão”, sendo, entre todos, o de mais curta duração, com vida média de 5 × 10e-25 s. Quando produzido no acelerador de partículas, é criado aos pares (top/antitop), mas não vive tempo bastante para formar um estado estável. Existem apenas como quarks livres, para então “decair”.

Para começo de conversa, é importante se destacar que, todas as forçasincluindo a “força forte”, gastam um tempo para exercer sua influência sobre partículas reais. Para existir um “estado vinculado” de quarks (ou quarks e antiquarks) – é preciso que um glúon deixe uma partícula e chegue à outra. Assim como… por 8 minutos e 20 segundos, não perceberíamos se o Sol de repente parasse de emitir fótons – ou então o planeta Terra não notaria se o Sol desaparecesse de repente … e parasse de atrair gravitacionalmente a Terra – uma partícula pode não sentir a força forte de outra; no caso dela não viver tempo suficiente para fazê-lo.

Isso acontece na física de partículas para a mais pesada                              partícula do… “Modelo Padrão“… — o “quark top”.

A 1ª forma de produzir um quark livre que não esteja vinculado a outros como parte de uma partícula estável, é criar um quark que não viva o tempo suficiente para fazê-lo. Com uma vida útil média de 5 × 10-25 segundos, o ‘quark top’ (junto com o seu antiquark) não existe por tempo suficiente para “hadronizar”. Simplesmente, ele decai. – Esse é uma dos modos conhecidos de se produzir um quark livre…mas não é particularmente satisfatório.

“plasma de quarks e glúons”                                                                                                    Às vezes, se as temperaturas/energias das partículas forem altas o suficiente, uma colisão entre íons relativísticos criará um estado temporário conhecido como plasma de quarks e glúons, em vez de hádrons individuais. Então, enquanto o plasma esfria e as partículas se afastam do ponto de colisão — bárions e mésons são produzidos em bem pouco tempo.

baryonsdensity

Em certas casos, sob altíssimas temperaturas e densidades, obtemos um plasma de quark-gluons. A baixas temperaturas e densidades, formam-se os hádrons: prótons e neutrons. O estado de plasma de quark-gluon pode existir em somente 3 casos: a) nos estágios primordiais imediatamente após o Big Bang; b) nas colisões de íons pesados num acelerador de partículas; c) (potencialmente) no centro de extremos objetos astrofísicos, como estrelas de neutrons. (RHIC)

Podemos nos perguntar se há alguma forma de abordar a matéria – tal qual conhecemos (como a matéria em nossos próprios corpos), de modo a fazer com que os quarks existam, em um estado independente de qualquer composição de partícula. – E, de fato existe: tudo que precisamos fazer é nos lembrar da ideia de “liberdade assintótica“, e então, criarmos um ‘estado’, onde os quarks sejam densos e quentes o suficiente, para que não haja bárions – e/ou mésons discerníveis.

Contudo, em vez de hádrons…como bárions      e mésons…isso criaria um estado conhecido como “plasma de quarks e glúons” – onde a temperatura e/ou densidade das partículas,    de tão grandes – não podemos dizer onde o limite de um…“estado” termina — e o outro começa. É tudo apenas um caos massivo de quarks e/ou antiquarks, em uma sopa onde glúons são constantemente trocados, entre quaisquerquarks/antiquarks…ao alcance.

Plasmas de quarks e glúons têm sido criados em aceleradores de partículas, colidindo não apenas prótons individuais — mas também grandes núcleos atômicos — densos e pesados.  Os plasmas de quarks e glúons são criados nesses colisores devido às suas altas energias e temperaturas não obstante suas superdensidades. No Universo primordial existiu um estado similar durante (aproximadamente) o 1º microssegundo logo após o calor infernal do Big Bang. Contudo, assim como nos plasmas de quarks e glúons — criados em colisores — as partículas se afastam umas das outras… e esfriam rapidamente…formando hádrons…em pouco tempo. Logo, enquanto o universo primordial estava completamente cheio de quarks e antiquarks…livres, leves  e soltos – esse estado não durou muito tempo.

estrelasdeneutrons-edequarks

Nas supermassivas estrelas de neutrons, seu núcleo individual deveria colapsar em um  plasma de quark/glúons. Estudos teóricos atuais questionam se este plasma de fato existe, e existindo, se seria composto só por quarks up e down; ou se “quarks estranhos” poderiam também fazer parte dessa mistura.

Podemos então perguntar … se há alguma possibilidade de existir para os quarks livres…um “estado estável”… E existe… mas é preciso chegar a casos extremos Dentro do núcleo de uma massiva ‘estrela de neutrons’por exemplo, antes que ela atinja seu limite de massa;  o que exigiria colapsar em buraco negro; neutrons individuais que a compõem, atingiriam densidades tão altas, que fundamentalmente,   se tornariam ‘plasma de quarks e glúons’ E este, em alguns casos, não seria, simplesmente, feito de quarks leves (up e down) – mas também, de“quarks estranhos”.

Em nosso universo atual, de baixa energia, encontramos apenas quarks e antiquarks        em estados hadrônicos: bárions, anti-bárions e mésons. Mas isso é apenas porque os quarks convencionais têm vida longa…a baixas densidades, e suficientemente baixas energias e temperaturas. – Se alterarmos só um desses 3 parâmetros, a existência de quarks livres é não apenas possível… mas obrigatória… — Se não forem atendidas as condições para formar um “estado estável”…o ‘confinamento’ é impossível. E, as 4 formas pelas quais obtemos isso são: a) criar um ‘quark top’, b) nos estágios iniciais            do Big Bang, c) colidir íons pesados ​​em velocidades relativísticas, d) estudar dentro        dos objetos mais densos (estrelas de neutrons…ou as hipotéticas “estrelas de quarks estranhos”) para então encontrar um “plasma de quarks/glúons”…Não é uma tarefa           nada fácil de realizar – mas se desejarmos criar matéria nos estados mais extremos          que conhecemos – é preciso quebrar limites para chegar lá. (texto base – ago/2019)  ******************************************************************************

Físicos produzem sopa de luz e matériaatravés de fótons/fonons (dez/2020)    Em uma pesquisa inovadora foi desenvolvido um meio para a produção de um…”estado quântico parte luz/parte matéria, no qual se obteve pela 1ª vez um…acoplamento ultraforte entre luz infravermelha (fótons) e a matéria (átomos)prendendo a luz em minúsculos orifícios anelares, com cerca de dois nanômetros, numa fina camada de ouro.  Estas nanocavidades, preenchidas com ‘dióxido de silício’…produzem uma estrutura que lembra os cabos coaxiais usados para enviar sinais de TV, só que transmitem luz, em vez de eletricidade. Estes ‘nanocabos’ podem ser feitos assim como os ‘chips’ de computador.

Outros pesquisadores já estudaram o acoplamento forte de luz e matériamas com este novo processo para fabricar uma versão nanométrica dos cabos coaxiais as fronteiras do ‘acoplamento ultraforte’ estão se expandindo à descoberta de novos “estados quânticos”, onde matéria e luz podem ter propriedades bem diferentes. Este acoplamento ultraforte    de luz e vibrações atômicas, abre todo tipo de possibilidades para o desenvolvimento de novos ‘dispositivos quânticos’, ou até mesmo, para modificações em “reações químicas”.

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Os nanocabos coaxiais possibilitarão sondar moléculas que interagem com as flutuações quânticas do vácuo e desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos. [Imagem: Oh Group/University of Minnesota]

Acoplamento ultraforte

Ao se alcançar o ‘acoplamento ultraforte’, as interações podem ser fortes o bastante para que a natureza quântica da luz e das vibrações entrem em ação… Dessa forma, com a energia absorvida transferida para frente e para trás entre a luz (fótons) nas nanocavidades – e as vibrações atômicas (fônons) no material…a uma taxa rápida,  o suficiente – fóton e fônon…se acoplam. Como resultado…surgem novos objetos quânticos“, chamadospolaritons, parte luz, e parte vibração … ao mesmo tempo.

Quanto mais forte a interação se torna, mais estranhos são os efeitos quânticos que podem ocorrer. Se a interação se tornar forte o suficiente, pode ser possível criar fótons a partir do vácuo — ou fazer com que ‘reações químicas’ ocorram — de um modo até então impossível. Para Luis Martin-Moreno, também membro da equipe: “É fascinante que, neste regime de acoplamento, o vácuo não seja vazio. Em vez dissoele contém fótons com comprimentos de onda determinados pelas… – ‘vibrações moleculares‘. – Além disso… – esses fótons extremamente confinados são compartilhados por um diminuto número de moléculas”.

A interação entre a luz e a matéria é fundamental para a vida na Terra, sendo ela que permite às plantas converterem a luz do Sol em energia, e nos permite ver objetos ao        nosso redor. A luz infravermelha, com comprimentos de onda muito maiores do que podemos ver com nossos olhos também interage com as vibrações dos átomos nos materiais. Por exemplo, quando um objeto é aquecido, os átomos que o compõem começam a vibrar mais rápido, e emitindo mais radiação infravermelha possibilitam imagens térmicas em câmeras de visão noturna. — Por outro lado, comprimentos de          onda da radiação infravermelha absorvidos pelos materiais…dependem dos tipos de átomos que constituem esses materiais, e de como estão dispostos. – É isso que faz a diferença entre uma telha de alumínio e outra de cerâmica – e também permite usar absorção infravermelha como ‘impressão digital’ para identificar produtos químicos.

Assim, dá para imaginar a multiplicidade de aplicações que podem ser melhoradas aumentando a intensidade com que a luz infravermelha interage com as ‘vibrações atômicas’ dos materiais. Um caminho já bem trilhado consiste em aprisionar a luz, fazendo-a refletir p/ frente e p/ trás entre um par de espelhos. Mas nanocavidades            são bem mais eficientes, pois permitem confinar a luz em escalas de comprimento            ínfimas…produzindo interações fótons/átomos mais fortes. (texto base) dez/2020 ***************************************************************************

Sons de fluido perfeito mostram primeiras notas musicais do Universo               Um fluxo perfeito se forma quando o fluido flui com a menor quantidade de atrito,            ou ‘viscosidade’ permitida pelas leis da mecânica quântica. – Esse comportamento (perfeitamente fluido) é raro na natureza, mas pode ocorrer no núcleo de “estrelas            de neutrons” e na sopa cósmica primordial, ou melhor ‘plasma de quarks e glúons’.

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Sonograma captado no fluido perfeito para estudar estruturas cósmicas inacessíveis. [Christine Daniloff]

Uma equipe do “MIT”/EUA, conseguiu pela primeira vez criar um “fluido perfeito”          em laboratório; medindo seu comportamento e sua estrutura interna usando sons.            Parth Patel, Martin Zwierlein, e equipe analisaram milhares de…’ondas sonoras‘ viajando através desse gás para medir a “difusão do som” (rapidez com que este se            dissipa no gás) que está diretamente relacionado à viscosidade…atrito interno do          material. Surpreendentemente, eles descobriram que a difusão do som no fluido é            tão baixa que pode ser descrita por uma quantidade “quântica” de atrito, dada por          uma constante natural (constante de Planck), e pela massa individual da partícula          (férmion) no fluido. Esse valor fundamental confirmou que o gás de férmions da interação forte se comporta como‘fluido perfeito’ – sendo de natureza universal.

Agora então, um fluido poderá ser usado como modelo para outros fluxos perfeitos … mas, mais complicados de estudar. Será possível, por exemplo, estimar a viscosidade do plasma no Universo primitivo, bem como a fricção dentro das estrelas de neutronspropriedades que de outra forma seriam impossíveis de se calcular. “É muito difícil ouvir uma estrela de neutrons. Mas agora podemos a simular em laboratório usando átomos … agitando aquela sopa atômica, e ao ouvi-la … saber como uma estrela de neutrons soaria”…disse Zwierlein.  Embora um “pulsar” e o gás empregado na construção dos “sonogramas” difiram bastante em termos de tamanho e velocidade com que o som viaja em seu interior…a equipe estima que as frequências ressonantes da estrela devam ser semelhantes às do gás – e até mesmo, audíveis, se fosse possível aproximar os ouvidos de umaestrela de neutrons“. (estrelas de neutrons são mais densas do que era possível imaginar). ### (texto base) ### dez/2020

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
Esse post foi publicado em cosmologia, física e marcado . Guardar link permanente.

2 respostas para Provando a Receita da “Sopa Cósmica Primordial”

  1. JMFC disse:

    Muito interessante a descoberta do plasma de quarks-gluões ter o comportamento de um líquido perfeito(quase).
    Por outro lado já não se aceleram apenas protões no LHC mas núcleos de ouro e chumbo para mais nos aproximarmos do Instante da Criação!
    O LHC começou ontem, Sábado de Páscoa/Domingo a trabalhar de novo. Oxalá novas descobertas nos traga de modo a ainda mais nos aproximarmos do conhecimento desta realidade?!… (cada vez mais virtualidade) de que somos parte.
    JMFC

    Curtido por 1 pessoa

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