Cientistas recriam em laboratório condições semelhantes às do início do Universo

Imagine uma época em que o Universo era tão quente e denso que prótons e nêutrons ainda não conseguiam existir. Em vez dessas partículas, a matéria estava em um estado extremo, formado por quarks e glúons livres.

Esse estado é conhecido como plasma de quarks e glúons e existiu nos primeiros instantes após o Big Bang. Agora, pesquisadores do Niels Bohr Institute conseguiram reproduzir condições capazes de gerar esse tipo de matéria em laboratório.

O experimento foi realizado por meio da colisão de núcleos de oxigênio-16 e neônio-20 acelerados a velocidades próximas à da luz. O impacto produz uma quantidade microscópica de plasma que existe por um período extremamente curto antes de se desfazer.

O que é o plasma de quarks e glúons?

Quarks e glúons são componentes fundamentais da matéria. Em condições normais, eles ficam confinados dentro de partículas como prótons e nêutrons.

Em temperaturas e densidades extremamente elevadas, porém, esse confinamento desaparece. Quarks e glúons passam a formar um estado coletivo chamado plasma de quarks e glúons.

Foi nesse ambiente que a matéria teria existido pouco depois do Big Bang, antes de o Universo se expandir e esfriar.

Com a queda da temperatura, quarks e glúons começaram a se combinar e formar partículas como prótons e nêutrons. Posteriormente, essas partículas deram origem aos átomos e, em uma escala muito maior de tempo, às estrelas, planetas e demais estruturas conhecidas.

Como os cientistas recriaram esse estado?

Para produzir o plasma, os pesquisadores aceleraram núcleos atômicos até velocidades próximas à da luz e fizeram com que eles colidissem.

No experimento, foram utilizados oxigênio-16 e neônio-20.

A colisão concentra uma enorme quantidade de energia em uma região minúscula, criando condições extremas semelhantes às que existiram no Universo primordial.

O resultado é uma pequena “gota” de plasma de quarks e glúons que se expande rapidamente e desaparece em uma fração de segundo.

Por isso, os cientistas não conseguem simplesmente observar o plasma diretamente. Eles precisam analisar as partículas produzidas quando ele se desfaz.

Por que o experimento é importante?

Colisões capazes de produzir plasma de quarks e glúons já foram realizadas com núcleos pesados, como os de chumbo.

O resultado obtido com núcleos consideravelmente menores amplia as possibilidades de investigação.

Os pesquisadores podem, por exemplo, estudar quais são as condições mínimas necessárias para que esse estado extremo da matéria seja produzido.

Isso ajuda a compreender melhor não apenas o comportamento do plasma, mas também a transição entre a matéria primordial e as partículas que formaram o Universo posteriormente.

Como é possível saber que o plasma foi formado?

Como o plasma desaparece quase instantaneamente, os pesquisadores analisam as partículas que são produzidas depois da colisão.

Uma das pistas está nos padrões deixados pelas partículas liberadas pelo choque.

Os núcleos utilizados no experimento possuem formatos diferentes. O oxigênio apresenta uma distribuição mais arredondada, enquanto o neônio tem uma estrutura mais alongada, que pode lembrar o formato de um pino de boliche.

Essas características influenciam a maneira como as partículas se distribuem após a colisão.

Ao analisar esses padrões, os cientistas conseguem obter informações sobre o estado da matéria durante o processo e sobre a estrutura dos núcleos antes do choque.

O que vem depois?

Os pesquisadores querem descobrir até onde é possível reduzir o tamanho dos núcleos utilizados nas colisões e ainda produzir plasma de quarks e glúons.

Um dos próximos candidatos para os experimentos é o hélio-4, um núcleo muito menor.

Se os testes forem bem-sucedidos, os cientistas poderão se aproximar ainda mais do limite mínimo necessário para criar esse estado extremo da matéria.

A pesquisa abre, assim, uma nova possibilidade para estudar em laboratório um período do Universo que não pode ser observado diretamente: os primeiros instantes depois do Big Bang, quando a matéria ainda existia como um plasma de partículas fundamentais.