Pesquisadores do Niels Bohr Institute e da colaboração ALICE conseguiram reproduzir uma forma de matéria que existiu nos primeiros instantes do Universo. Para isso, fizeram núcleos de oxigênio-16 e neônio-20 colidirem quase à velocidade da luz.
O experimento produziu plasma de quarks e glúons, considerado a forma mais antiga de matéria do Universo. O estudo também mostrou que núcleos bem menores que o chumbo podem gerar esse estado extremo.
Um Big Bang em miniatura
A colisão acontece no CERN, na Suíça. Quando os núcleos se chocam em velocidades próximas à da luz, seus componentes formam uma pequena gota de plasma de quarks e glúons. Ela dura uma fração de segundo antes de se expandir.
Esse estado teria dominado o Universo durante seu primeiro milionésimo de segundo. A temperatura era tão alta que prótons e nêutrons ainda não existiam. Quarks e glúons permaneciam livres.
Até agora, experimentos desse tipo eram associados principalmente a colisões envolvendo núcleos muito pesados, como os de chumbo. O novo trabalho amplia esse cenário:
- Oxigênio-16 e neônio-20 foram usados nas colisões;
- Os núcleos foram acelerados a velocidades próximas à da luz;
- O choque gerou uma pequena gota de plasma;
- As partículas produzidas carregaram informações sobre a estrutura dos núcleos.
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.
You Zhou, professor associado que liderou o experimento, em nota.
Para ele, a descoberta ajuda a delimitar as condições necessárias para que a matéria entre nesse estado.
O formato aparece nas partículas
O plasma desaparece rápido demais para ser observado diretamente. O caminho encontrado pelos pesquisadores é olhar para o que fica depois da colisão.
As partículas liberadas pelo choque carregam um padrão relacionado ao formato do núcleo que originou o processo. Com oxigênio, o desenho é mais arredondado. Com neônio, assume uma configuração parecida com um pino de boliche.
“É um pouco como iluminar um objeto e observar sua sombra”, explica Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, pesquisador de pós-doutorado do Niels Bohr Institute e coautor do estudo.
Nielsen usa essa comparação para detalhar o método. Assim como uma sombra fornece pistas sobre um objeto que não pode ser visto diretamente, o movimento das partículas revela características do núcleo.
Da estrutura nuclear ao nascimento do Universo
A forma dos núcleos atômicos interessa aos físicos há mais de 70 anos. O tema também faz parte da história do Niels Bohr Institute: o trabalho de Aage Bohr sobre a estrutura nuclear contribuiu para o Nobel de Física que ele recebeu em 1975.
Essa geometria não é apenas uma questão de formato. Ela indica como prótons e nêutrons se organizam e fornece pistas sobre a força forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza.
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A pesquisa propõe uma abordagem diferente. Em vez de estudar os núcleos apenas em baixas energias, os cientistas usam colisões extremas para observar as marcas deixadas pelas partículas.
O próximo teste deve envolver núcleos ainda menores, como o hélio-4. Os pesquisadores querem descobrir até onde é possível reduzir o tamanho dos núcleos e ainda produzir plasma de quarks e glúons.
“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”, explica Zhou.
O experimento conecta duas perguntas fundamentais da física: como os núcleos se organizam e como a matéria surgiu nos primeiros instantes do Universo.
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