O Plasma de Quarks e Glúons: Um Desafio

O Plasma de Quarks e Glúons é uma nova fase da matéria, conforme explicaremos.

Água

A matéria pode mudar de fase (sólido, líquido, gás) devido à mudanças nas condições externas. Por exemplo, pictoricamente:

mudança água QGP

Crédito: figura a esquerda BNL, animação a direita http://www.aplusphysics.com/

Mais precisamente, à pressão usual de 1 atmosfera, derrete-se o gelo ao antingir-se uma temperatura de 0ºC e vaporiza-se a água a uma temperatura de 100ºC. Isto é mostrado pela linha horizontal pontilhada mais baixa no desenho:

fases água

Diagrama de fase da água. Origem desconhecida.

Se a pressão for maior, por exemplo 218 atm, o gelo se derrete a uma temperatura um pouco menor do que 0ºC, mas a água se vaporiza a uma temperatura bem mais alta, como mostrado pela linha horizontal pontilhada mais alta.

Esta figura, que mostra para dada pressão as temperaturas de mudança de fase da água, se chama diagrama de fase da água.

Plasma de Quarks e Gluons

Pouco depois de descobrir a liberdade assintótica, os físicos especularam que se conseguissem aquecer ou aumentar a densidade da matéria ordinária (nucleons), eles poderiam chegar a uma fase nova da matéria, o Plasma de Quarks e Glúons.

mudança qgp

Crédito: BNL.

O Plasma de Quarks e Glúons também tem um diagrama de fases: costuma-se colocar a temperatura no eixo vertical e a densidade (excesso de bárions sobre antibárions) no eixo horizontal.

fases qgp

Diagrama de fases do QGP obtido com simulações de QCD na rede e modelos efetivos. Origem descohecida.

Neste diagrama de fase, o único ponto bem conhecido é o da matéria ordinária, os núcleos ("normal nuclei") no eixo horizontal. Iniciando neste ponto, aumentando a temperatura (progredindo verticalmente), passamos da matéria ordinária para um estado formado de hádrons ("hadronic matter"). Se a temperatura passar de 2×1012 K ∼ 2×1012 °C (escala a direta), a matéria se transforma em Plasma de Quarks e Glúons. Note que essa temperatura é 100 000 vezes maior que a do interior do sol!

Por outro lado, se iniciarmos em "normal nuclei" e aumentarmos a densidade (progredirmos horizontalmente), passamos também da matéria ordinária para a matéria hadrônica. Pode aparecer Plasma de Quarks e Glúons junto com matéria hadrônica (da mesma maneira que gelo pode coexistir com água em um copo) para densidades superiores a 7 vezes a densidade da matéria ordinária.

Assim, para criar o Plasma de Quarks e Glúons no laboratório temos um grande desafio: atingir essas temperaturas e densidades tão elevadas.

Para o leitor curioso, mencionaremos que da mesma maneira que o diagrama de fase da água é mais complexo do que mostrado acima, o do QGP também o é.

water phase qcd phase

Esquerda: existem muitas fases do gelo como mostrado nesta figura (www.isbu.ac.uk/water/water_phase_diagram.html). Direita: a baixa temperatura (numa região que nem cálculos perturbativos de QCD, nem simulações de QCD na rede, nem experiências no laboratório conseguem explorar), a existência de várias formas de matéria de quarks e gluons foi especulada (para um revisão mais técnica pode-se ler Fukushima e Hatsuda, Rept. Prog. Phys. 74 (2011) 014001 / arXiv 1005.4814)