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Experimentos no Grande Colisor de Hádrons conseguiram recriar condições extremas do Big Bang ao produzir plasma de quarks e glúons, permitindo aos físicos detectar uma queda inferior a 1% na produção de partículas e obter novas pistas sobre o comportamento da matéria nos primeiros instantes do universo
No primeiro milissegundo após o Big Bang, físicos do LHC recriaram em laboratório um plasma de quarks e glúons e detectaram queda inferior a 1% na produção de partículas atrás de um quark, revelando novo indício sobre a matéria primordial.
Colisões de grande magnitude no Grande Colisor de Hádrons revelaram o mais tênue rastro deixado por um quark ao atravessar matéria nuclear a trilhões de graus. O resultado sugere que a sopa primordial do universo pode ter sido, literalmente, mais parecida com uma sopa.
As descobertas são da colaboração Compact Muon Solenoid do LHC. O experimento apresentou a primeira evidência clara de uma sutil queda na produção de partículas atrás de um quark de alta energia enquanto ele atravessa o plasma de quarks e glúons.
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Essa gota de matéria primordial é considerada semelhante ao estado que preencheu o universo microssegundos após o Big Bang. O estudo foi publicado em 25 de dezembro de 2025 na revista Physics Letters B.
Recriando o ambiente do Big Bang em laboratório
Quando núcleos atômicos pesados colidem a velocidades próximas à da luz dentro do LHC, eles se fundem brevemente em um estado exótico chamado plasma de quarks e glúons. Nesse ambiente extremo, a densidade e a temperatura impedem a manutenção da estrutura atômica regular.
Segundo Yi Chen, professor assistente de física da Universidade Vanderbilt e integrante da equipe do CMS, todos os núcleos se sobrepõem e formam o plasma. Nesse estado, quarks e glúons podem se mover além dos limites dos núcleos e se comportam mais como um líquido.
A gota de plasma criada nessas colisões mede cerca de 10⁻¹⁴ metros de diâmetro, ou 10.000 vezes menor que um átomo. Ela desaparece quase instantaneamente, mas, nesse intervalo, quarks e glúons fluem coletivamente de maneira semelhante a um líquido ultraquente.
Os pesquisadores buscam entender como partículas energéticas interagem com esse meio. O objetivo é investigar como um quark de alta energia atravessa essa pequena gota de líquido criada nas colisões que simulam condições do Big Bang.
A teoria prevê que o quark deixaria um rastro detectável no plasma atrás dele, de forma semelhante a um barco cortando a água. Haveria deslocamento do meio para a frente e uma pequena queda no nível atrás da trajetória.
Na prática, separar o sinal do quark do comportamento do plasma é complexo. A gota é minúscula e a resolução experimental é limitada. Na frente da trajetória, a interação intensa dificulta distinguir sinais distintos.
Atrás do quark, porém, o rastro, se presente, deve ser uma propriedade do próprio plasma. A equipe concentrou esforços em encontrar essa pequena depressão na parte posterior do trajeto.
Bóson Z como marcador do quark
Para isolar o rastro previsto, os físicos utilizaram o bóson Z como partícula parceira do quark. O bóson Z é um dos portadores da força nuclear fraca, responsável por certos processos de decaimento atômico e subatômico.
Em determinadas colisões, um bóson Z e um quark de alta energia são produzidos juntos, recuando em direções opostas. Diferentemente de quarks e glúons, o bóson Z quase não interage com o plasma de quarks e glúons.
De acordo com Chen, no que diz respeito ao plasma, o bóson Z simplesmente escapa e desaparece. Ele sai da zona de colisão praticamente ileso, fornecendo um indicador preciso da direção e energia originais do quark.
Essa configuração permite que os físicos acompanhem o quark enquanto ele atravessa o plasma, sem que a partícula parceira tenha sido distorcida pelo meio. O bóson Z funciona como marcador calibrado para analisar alterações sutis.
A equipe mediu as correlações entre os bósons Z e os hádrons, partículas compostas de quarks que emergem da colisão. A análise concentrou-se na quantidade de hádrons na direção para trás em relação ao movimento do quark.
Queda inferior a 1% na produção de partículas
O efeito observado é pequeno. Em média, na direção oposta ao quark, foi registrada variação de menos de 1% na quantidade de plasma. O resultado levou tempo para ser demonstrado experimentalmente.
Essa supressão inferior a 1% corresponde ao tipo de assinatura esperada quando um quark transfere energia e momento ao plasma, deixando uma região empobrecida em seu rastro. A equipe relata ser a primeira detecção clara dessa queda em eventos marcados com quark Z.
O formato e a profundidade da depressão contêm informações sobre as propriedades do plasma. A analogia apresentada compara o comportamento do meio a água ou mel, dependendo da facilidade com que a depressão se preenche.
Se o fluido escoa com facilidade, a região atrás do objeto se recompõe rapidamente. Se se comporta como mel, a depressão persiste por mais tempo. Estudar essa característica fornece dados sobre o próprio plasma.
Implicações para o universo após o Big Bang
As observações têm implicações cosmológicas. Acredita-se que o universo primordial, logo após o Big Bang, era preenchido com plasma de quarks e glúons antes de esfriar e formar prótons, nêutrons e átomos.
Segundo Chen, essa era não é diretamente observável por telescópios, pois o universo era opaco naquele período. As colisões de íons pesados oferecem um pequeno vislumbre de como o universo se comportava.
A queda detectada é descrita como apenas o começo. O trabalho abre um novo caminho para obter mais informações sobre as propriedades do plasma recriado em laboratório.
Com mais dados acumulados, será possível estudar esse efeito com maior precisão e aprender mais sobre o plasma de quarks e glúons que marcou os instantes iniciais do universo após o Big Bang.
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