Logo depois de o universo começar, nada lembrava o que conhecemos hoje. O espaço estava tomado por calor e movimento. A matéria ainda não tinha se organizado em átomos - nem sequer em prótons.
No lugar disso, tudo existia num estado frenético, feito dos blocos mais elementares, disparando em todas as direções a quase a velocidade da luz.
Essa etapa foi curtíssima. Ela passou como um lampejo nos primeiros microssegundos e, em seguida, resfriou o bastante para que a matéria do jeito que conhecemos pudesse se formar.
Mesmo tão breve, esse instante continua sendo decisivo. Foi ali que se estabeleceram regras sobre como as partículas se comportam, como as forças atuam e por que o universo tem a aparência atual.
Há décadas, físicos tentam compreender esse estado inicial - não voltando no tempo, mas recriando partes dele em laboratório.
O primeiro líquido do universo
Uma das características mais surpreendentes do universo primitivo é que ele provavelmente abrigou o primeiro líquido que já existiu. Esse líquido, chamado plasma de quarks e glúons, surgiu quando quarks e glúons passaram a se mover livremente em uma mistura extremamente quente e densa.
As estimativas indicam que a temperatura chegou a alguns trilhões de graus Celsius, tornando-o o líquido mais quente já observado.
Para investigá-lo, cientistas promovem colisões de núcleos atômicos pesados a velocidades próximas à da luz. Esses choques “derretem” prótons e nêutrons por um instante, levando-os de volta ao estado de quarks e glúons e gerando uma gota minúscula desse plasma ancestral.
Essa gota dura menos de um quatrilionésimo de segundo, mas os detectores atuais ainda conseguem registrar dados detalhados do momento em que ela se forma.
Quando partículas rápidas deixam um rastro
Durante anos, houve debate entre os físicos sobre o comportamento desse plasma. Ele se pareceria com um enxame frouxo de partículas ou se deslocaria de forma coletiva, como um fluido? Um teste crucial foi observar o que acontece quando um único quark atravessa o plasma em alta velocidade.
A pesquisa foi conduzida por físicos do MIT, com base em dados do Grande Colisor de Hádrons do CERN, na Suíça. Os resultados apontam com força para um comportamento de fluido.
“Tem sido um longo debate na nossa área se o plasma deveria responder a um quark”, disse Yen-Jie Lee, professor de física no MIT.
“Agora vemos que o plasma é incrivelmente denso, a ponto de conseguir desacelerar um quark, e produzir respingos e redemoinhos como um líquido. Então o plasma de quarks e glúons realmente é uma sopa primordial.”
Uma maneira engenhosa de identificar um único quark
Detectar o efeito de apenas um quark é mais complicado do que parece. Quarks costumam surgir em pares, seguindo em direções opostas, e seus efeitos acabam se sobrepondo. Essa sobreposição pode esconder justamente o sinal que os cientistas querem medir.
Para contornar isso, a equipe concentrou a análise em colisões que geram um quark e um bóson Z.
O bóson Z atravessa o plasma sem perturbá-lo e aparece em um nível de energia específico, que os detectores reconhecem com facilidade.
Já o quark interage intensamente com o plasma. Assim, qualquer movimento observado no lado oposto ao bóson Z pode ser associado diretamente ao quark.
“Nós descobrimos uma nova técnica que nos permite ver os efeitos de um único quark no QGP, por meio de um par diferente de partículas”, disse Lee.
O que bilhões de colisões revelaram
Os pesquisadores analisaram dados de 13 bilhões de colisões de íons pesados. Dentro desse conjunto, eles identificaram cerca de 2.000 eventos que produziram um bóson Z.
Nessas ocorrências, o grupo mapeou como a energia se espalhava pelo plasma e encontrou padrões nítidos compatíveis com a esteira deixada por um quark único se movendo muito rapidamente.
“Nessa sopa de plasma de quarks e glúons, há inúmeros quarks e glúons passando e colidindo uns com os outros”, observou Lee.
“Às vezes, quando temos sorte, uma dessas colisões cria um bóson Z e um quark, com alto momento.”
Os padrões de esteira observados bateram com previsões teóricas feitas há muito tempo. Uma delas vinha de um modelo híbrido que indicava que o plasma deveria reagir como um fluido ao ser atingido por uma partícula rápida.
“Isso é algo que muitos de nós argumentamos que precisa estar ali há muitos anos, e que muitos experimentos têm procurado”, disse Krishna Rajagopal, professor de física no MIT.
“Obtivemos a primeira evidência direta de que o quark de fato arrasta mais plasma com ele enquanto viaja”, disse Lee. “Isso vai nos permitir estudar as propriedades e o comportamento desse fluido exótico com um nível de detalhe sem precedentes.”
Como era o universo no começo
Esses resultados oferecem aos cientistas uma janela mais nítida para os instantes iniciais do universo. Ao medir como as esteiras dos quarks se formam, se espalham e desaparecem, os pesquisadores conseguem determinar com mais precisão as propriedades do plasma de quarks e glúons e como ele já preencheu todo o espaço.
“Estudar como as esteiras dos quarks reverberam de um lado para o outro vai nos dar novos insights sobre as propriedades do plasma de quarks e glúons”, disse Lee. “Com este experimento, estamos tirando um retrato dessa sopa primordial de quarks.”
Esse retrato registra uma época em que a matéria se comportava de maneiras que hoje não existem naturalmente. Compreender esse período aproxima os físicos de explicar como o universo saiu do caos e chegou à estrutura.
O estudo completo foi publicado na revista Physics Letters B.
Crédito da imagem: Jose-Luis Olivares, MIT
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