A Descoberta do QGP

Após analisar os dados acumulados durante 3 anos por 4 colaborações diferentes e apresentados em quase 300 "Physical Review Letters" (os artigos mais inovadores são publicados sob esta forma), em 2005, os físicos do RHIC anunciaram oficialmente que haviam observado o Plasma de Quarks e Glúons. Porém, o Plasma de Quarks e Glúons descoberto era diferente do esperado:

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Esquerda: Plasma de Quarks e Gluons com liberdade assintótica (Gas). Direita: Plasma de Quarks e Gluons fortemente acoplado (Liquid). Crédito: BNL

* Ele é fortemente acoplado, ao contrário do previsto pela liberdade assintótica. Ele é mais um líquido (figura acima a direita) do que um gás (figura acima a esquerda).

* Ele é o líquido mais perfeito já criado em laboratório: sua viscosidade (com normalização adequada) é a menor.

Como chegaram a esta conclusão?

Evidência 1: Aparição de Fluxo Elíptico.

Quando dois núcleos colidem não frontalmente, a região onde ocorre o choque tem seção transversal elipsoidal como mostrado pela região hachurada abaixo (o feixe é perpendicular a ela).

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Crédito: Tese R.Andrade IF-USP.

A figura à esquerda representa o que acontece se após os nucleons colidirem e produzirem partículas estas não interagirem: elas serão emitidas (em média) isotropicamente (da mesma maneira em todas as direções) como mostrado pelas setas. Esse seria aproximadamente o caso para um Plasma de Quarks e Glúons com liberdade assintótica.

A figura da direita representa a situação oposta. As partículas criadas interagem muito e são emitidas de preferência na horizontal, como mostrado pelas setas. Esse seria o caso de um Plasma de Quarks e Glúons fortemente interagente. O fato de ter uma direção favorecida na emissão de partículas é chamado de fluxo elíptico.

A razão para o aparecimento desta direção favorecida é um pouco técnica. Partículas com muitas interações se comportam como um fluido. A pressão deste fluido em O é grande, mas é nula nas bordas da região hachurada elíptica. A pressão tem que cair mais abruptamente, até zero, ao longo do eixo menor da elipse do que ao longo do eixo maior. Esta queda mais abrupta de pressão implica uma aceleração maior (na horizontal da figura). Além disso, está aceleração é criada muito cedo, pois com a expansão do fluido a elipse se arredonda.

Ao estudar os dados do RHIC, os físicos se deram conta que a densidade de energia era grande o suficiente para criar o Plasma de Quarks e Glúons, mas ele exibe fluxo elíptico, isto é, ele é fortemente interagente. Além disso, este plasma precisa ter uma viscosidade muito baixa para não atenuar o fluxo elíptico.

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Fluxo elíptico v2 em função do número de partículas carregadas detectadas nch: os dados de duas colaborações do RHIC estão de acordo com um modelo com Plasma de Quarks e Glúons fortemente acoplado (vermelho) e em desacordo com um modelo sem QGP (pontilhado azul). Colisões com maior nch são as onde o QGP deve ser criado, são colisões chamadas de centrais, onde os núcleos batem frontalmente.

Evidência 2: Absorção de Jatos.

Como vimos na seção sobre confinamento, às vezes quando dois nucleons colidem, há formação de jatos que se propagam no vácuo. Isto também pode acontecer quando dois núcleos colidem, só que dessa vez não irão se propagar no vácuo, mas sim no meio formado pelas partículas criadas.

Se estas partículas interagem pouco com os jatos, eles não serão afetados. Se as partículas do meio interagem muito com os jatos, eles podem ser destruídos. Em particular, para um par de jatos criado perto da borda, um jato pode emergir e outro ser atenuado (ou absorvido). É como atirar uma bala na água. Boa parte de sua energia é absorvida pelas moléculas da água e ela não atravessa o líquido.

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À esquerda, emissão de um par de jatos numa colisão próton-próton. À direita, numa colisão núcleo-núcleo, um jato de um par pode emergir enquanto o outro é atenuado ao se propagar no meio. Crédito: ATLAS.

Este fenômeno de atenuação foi de fato observado no RHIC com intensidade tão grande que os físicos concluíram que a densidade de energia atingida era grande o suficiente para criar o Plasma de Quarks e Glúons e que este tinha que ser fortemente interagente.

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Contagem de pares de partículas detectadas (o eixo de colisão é perpendicular à tela): observa-se 2 picos correspondendo a 2 jatos em próton-próton (esquerda) e 1 pico em núcleo-núcleo implicando que seu jato parceiro foi atenuado (centro). A direita: outra representação dos dados ao lado. O número de pares é plotado em função da diferença de ângulos entre elas. Há 2 picos para Δφ = 0 e π para próton-próton (símbolos pretos) e apenas 1 em Δφ = 0 para núcleo-núcleo (símbolos azuis).

E então, agora que o Plasma de Quarks e Gluons foi encontrado, o que mais queremos descobrir?