Colisões de oxigénio recriam a matéria do Universo primitivo

Dois núcleos de oxigénio, cada um composto por oito protões e oito neutrões, colidem quase à velocidade da luz no Colisionador Relativista de Iões Pesados (RHIC), no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos. O impacto desfaz os núcleos e liberta os seus protões e neutrões, que se desagregam nos quarks e glúões de que são formados. O resultado é o plasma de quarks e glúões (QGP), a matéria que existiu durante os primeiros microssegundos após o Big Bang, e uma ferramenta para perceber como se formaram pela primeira vez os protões, os neutrões e os átomos.

O plasma tem uma duração demasiado curta para ser observado diretamente, mesmo no RHIC ou no Grande Colisionador de Hadrões (LHC), do CERN. Os físicos estudam, por isso, as partículas que saem de cada colisão, registadas por detetores como o STAR (Solenoidal Tracker do RHIC). A principal pista é o jet quenching, ou seja, a perda de energia dos jatos: os jatos energéticos de partículas perdem energia ao atravessar a matéria quente e densa que fica após a colisão dos núcleos, e essa perda é considerada uma assinatura do QGP. O estudo do plasma ajuda também noutras questões, como os limites da estabilidade nuclear e a procura de partículas exóticas, como as partículas X. «Uma das formas mais poderosas de os cientistas estudarem o QGP é identificar onde aparecem as suas assinaturas e, igualmente importante, onde essas assinaturas desaparecem», afirmou Li Yi, professor de física na Universidade de Shandong e envolvido no trabalho.

O ouro era a referência. Os núcleos de ouro, com 78 protões e 118 neutrões, mostraram jet quenching, e as suas partículas de menor energia moviam-se em conjunto como um líquido perfeito, sem qualquer resistência. A equipa do RHIC quis saber se um sistema muito mais leve produziria a mesma assinatura. As suas colisões oxigénio-oxigénio, realizadas a 200 GeV (200 mil milhões de elétrons-volt) no RHIC em 2021, mostraram uma supressão de 20 % das partículas de alta energia causada pelo jet quenching. Esse valor é inferior aos registados para o ouro e para o chumbo, mas os investigadores afirmam que continua a ser uma prova de que o QGP se formou. Investigadores do CERN também estudaram colisões oxigénio-oxigénio, o que permite às duas equipas comparar os resultados.

Rongrong Ma, física do STAR no Laboratório Nacional de Brookhaven, descreveu o objetivo: «Estamos a ultrapassar limites de duas formas para explorar as condições mínimas para criar um QGP, tanto em termos do tamanho do núcleo, ao observar estas pequenas colisões oxigénio-oxigénio, como ao analisar dados de energias de colisão mais baixas, e continuamos a ver esta assinatura crucial do QGP.»

Por agora, o ganho é para a física e não para qualquer equipamento. Os teóricos que estudam o Universo primitivo e a estabilidade nuclear dispõem de um ponto de referência mais pequeno e mais simples do que as colisões de ouro, e os experimentadores podem confrontar os seus resultados com os do CERN. As colisões mostram também até onde a assinatura sobrevive à medida que o sistema encolhe, que era precisamente a fronteira que a equipa pretendia encontrar. Não há data prevista para as próximas conclusões. O novo detetor sPHENIX, que agora faz parte da configuração do RHIC, deverá trazer muito mais informação nos próximos tempos.