O QGP no Universo

Como vimos, o Plasma de quarks e Glúons foi criado no labratório mas ele pode existir ou ter existido em outros lugares.

O Universo Primordial

Universo QGP no Universo

Crédito: figura a esquerda Partice Data Group, animação a direita T.Lombry

A figura acima a esquerda resume a história do nosso universo tal como ela é reconstruída por físicos e cosmologistas a partir de dados observacionais (e extrapolações). Nesta figura, da esquerda para a direita, o universo envelhece, se expande e esfria. Observe que por um período o universo era preenchido por um Plasma de Quarks e Glúons junto com outras partículas. Aproximadamente a 10-6segundos, este plasma esfriou o suficiente para que quarks e glúons se combinassem em hádrons.

Esta transição no universo primordial é muito similar em termos de temperatura (alta) e densidade bariônica (quase nula) àquela presente nos experimentos do RHIC (rodando a energia alta) e do LHC.

Criando o Plasma de Quarks e Gluons no laboratório em outras temperaturas e densidades

A criação do Plasma de Quarks e gluons a alta tempratura e baixa densidade bariônica como acontece no LHC e no universo primordial é mostrada pelo símbolo de mini-explosão amarelo cheio na figura abaixo. Os físicos estão agora tentando produzir Plasma de Quarks e Glúons em outras condições de temperatura e densidade, como mostrado pelos símbolos de mini-explosões da figura, usando vários aceleradores (RHIC rodando em energias mais baixas, FAIR, NICA).

Schmidt

Crédito: Universidade de Bielefeld

Estrelas de Nêutrons e Estrelas de Quarks

Na figura anterior, observa-se que a banda azul horizontal ocupada pelas estrelas de nêutrons penetra na região do Plasma de Quarks e Glúons. O que significa isso?

Estrelas de nêutrons são um dos tipos de restantes possíveis quando estrelas de grande massa explodem no fim de suas vidas num fenômeno chamado de supernova. São objetos tão densos que todos os prótons e elétrons de seus átomos se combinam para formar nêutrons, daí o seu nome. Por exemplo, a nebulosa do caranguejo é a sobra de uma supernova observada na terra em 1054 e ela abriga uma estrela de nêutrons descoberta em 1968.

Nebulosa

Foto feita com o telescópio Hubble, mostrando a nebulosa do caranguejo e sua estrela de nêutrons (o ponto mais a direita dos dois pontos brilhantes no centro da imagem). Disponível em hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/26

Pode-se ter uma idéia da densidade de uma estrela de nêutrons dividindo sua massa, da ordem de 1,5 massa solar (uma massa solar vale 2 1030 kg) por seu volume 4 π/3 R3 , onde R é o seu raio (da ordem de 10km). Obtem-se assim uma densidade da ordem de algumas vezes à da matéria nuclear usual (2 1017 kg/m3). Isto significa que estrelas de nêutrons são tão densas que no seu centro pode haver Plasma de Quarks e Glúons. Esta forma de Plasma tem temperatura baixa e densidade bariônica alta. Astrofísicos especulam que podem existir também estrelas de quarks, mas estas ainda não foram observadas com certeza.

Raios Cósmicos

Raios cósmicos são partículas de alta energia que chegam na terra vindo do espaço. Eles são bastante misteriosos: nem sempre se sabe que tipo de partículas os constituem, de onde elas vem ou como são aceleradas. Estes raios cósmicos podem vir com energia muito maior do que as atingidas em aceleradores. Desta forma, quando raios cósmicos de alta energia chegam à terra e colidem com núcleos da atmosfera, Plasma de Quarks e Glúons deve ser criado. Contudo, atualmente sabemos muito pouco sobre essa possibilidade.

Raios Cósmicos

A terra está sendo contínuamente bombardeada por raios cósmicos. Quando penetram na atmosfera, colidem, criando partículas de energia menor que colidem criando partículas com energia ainda menor e assim por diante. A cascata de partículas resultante é chamada de chuveiro de partículas.

Concluindo, o objetivo agora é criar Plasma de Quarks e Glúons no laboratório em várias condições de temperatura e densidade. Podemos também investigar esta nova fase da matéria estudando o universo primordial, estrelas de nêutrons e raios côsmicos. Ainda temos muito o que aprender!

O Brasil está presente neste programa de investigação no laboratório do Plasma de Quarks e Gluons com teóricos (trabalhando em várias áreas: modelização das colisões, QCD na rede, correspondância AdS/CFT, ...) e grupos experimentais envolvidos nas maiores colaborações sobre o tema (no RHIC: STAR e PHENIX e no LHC: ALICE, ATLAS, CMS).