Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

Nos momentos iniciais do universo, logo após o Big Bang, a matéria existia em um estado diferente de tudo o que vemos hoje. Era uma sopa fervilhante e superquente de partículas fundamentais chamadas quarks e glúons, que normalmente se ligam para formar prótons e nêutrons. Os físicos chamam esse estado de plasma de quark-glúon. Para entender como essa sopa primordial se comportava, cientistas colidem núcleos atômicos pesados quase à velocidade da luz, recriando essas condições extremas por um instante fugaz. Quando essas colisões ocorrem, as partículas saem em padrões específicos. Se as partículas se movem juntas de forma coordenada, fluindo como um líquido em vez de baterem umas nas outras como bolas de bilhar, isso sugere que uma pequena gota desse plasma se formou. Esse movimento coordenado é conhecido como "fluxo", e é uma das evidências mais fortes de que a matéria criada nessas colisões se comporta como um fluido quase perfeito.

Por décadas, pesquisadores focaram em colidir os átomos mais pesados disponíveis, como chumbo ou ouro, para criar as maiores gotas possíveis desse plasma. No entanto, uma questão persistente permanecia: poderia tal fluido se formar em colisões muito menores, envolvendo átomos mais leves? Se a gota for pequena demais, pode não ter tempo ou espaço suficientes para desenvolver esse comportamento semelhante ao de um fluido. Para responder a isso, os cientistas recorreram a dois átomos leves específicos: oxigênio e néon. Embora ambos sejam pequenos, eles possuem formas internas diferentes. Os átomos de oxigênio estão organizados em um padrão geométrico específico e rígido, enquanto os átomos de néon têm o formato de algo semelhante a um pino de boliche. Ao colidirem esses átomos contra si mesmos, os pesquisadores puderam testar se a forma específica dos átomos iniciais deixa uma impressão digital no fluxo final de partículas, provando que, mesmo nesses sistemas minúsculos, a matéria se comporta coletivamente.

A colaboração ALICE no Grande Colisor de Hádrons realizou recentemente as primeiras medições deste fenômeno em colisões de núcleos de oxigênio e néon. Eles reuniram dados de bilhões de colisões oxigênio-oxigênio e centenas de milhões de colisões néon-néon, todas ocorrendo em uma energia de centro de massa por par de núcleons de 5,36 TeV. A equipe concentrou-se em medir como as partículas se espalham em diferentes direções após a colisão. Eles buscaram dois padrões específicos: um fluxo elíptico, onde as partículas preferem se mover em um formato oval, e um fluxo triangular, onde se movem em um formato de estrela de três pontas. Esses padrões não são aleatórios; eles são impulsionados pela forma inicial dos núcleos sobrepostos no momento do impacto. Se os átomos iniciais têm o formato de um pino de boliche, o fluido resultante deve se expandir de uma forma que reflita esse formato de pino.

Os resultados mostraram um sinal claro desse comportamento coletivo. Tanto nas colisões de oxigênio quanto nas de néon, as partículas exibiram os fluxos elíptico e triangular esperados. Crucialmente, a força desse fluxo mudou dependendo de quão central foi a colisão — ou seja, o quão diretamente os dois núcleos se atingiram. Nas colisões mais diretas e centrais, as colisões néon-néon produziram um fluxo elíptico mais forte do que as colisões oxigênio-oxigênio. Essa diferença alinha-se perfeitamente com as formas conhecidas dos dois átomos. Como o néon possui um formato alongado mais pronunciado em comparação ao oxigênio, que é mais compacto, o fluido criado nas colisões de néon se expande mais fortemente nessa direção. Essa observação confirma que a geometria inicial dos núcleos que colidem impulsiona o fluxo, mesmo nesses sistemas muito pequenos.

Para verificar essas descobertas, os pesquisadores compararam suas medições com simulações de computador sofisticadas que incluíam modelos detalhados da estrutura interna dos átomos de oxigênio e néon. Esses modelos, derivados de teorias avançadas de física nuclear, previam que os átomos de oxigênio possuem um arranjo tetraédrico de suas partes internas, enquanto os átomos de néon formam uma estrutura que se assemelha a um pino de boliche. As simulações, que trataram a colisão como uma expansão hidrodinâmica de um fluido, coincidiram notavelmente bem com os dados experimentais. A concordância foi tão precisa que superou a precisão de estudos anteriores em núcleos mais pesados. Esse ajuste sugere que a matéria criada nessas colisões de íons leves de fato se comporta como um fluido governado pelas leis da hidrodinâmica, respondendo diretamente às formas geométricas dos átomos que colidem.

O estudo também revelou que o fluxo triangular, que surge de flutuações aleatórias na forma como as partículas estão arranjadas dentro dos núcleos, comportou-se de forma diferente do fluxo elíptico. Em colisões centrais, o fluxo triangular foi mais fraco no néon do que no oxigênio, um resultado que as simulações também capturaram. Essa diferença destaca a estrutura interna única do átomo de oxigênio, que cria uma distorção triangular maior na zona de colisão inicial. Ao comparar os dois sistemas diretamente, os pesquisadores foram capazes de cancelar muitos dos fatores confusos que geralmente complicam essas medições, isolando o efeito da própria forma nuclear.

Essas descobertas fornecem evidências fortes de que o plasma de quark-glúon pode se formar em sistemas muito menores do que se pensava anteriormente, desde que a energia da colisão seja alta o suficiente. O fato de os padrões de fluxo serem tão sensíveis às formas específicas de oxigênio e néon sugere que essas colisões oferecem uma nova e poderosa maneira de estudar a estrutura dos núcleos atômicos. Em vez de apenas observar como os núcleos se comportam em baixas energias, os cientistas agora podem usar colisões de alta energia para "imaginar" o arranjo das partículas dentro deles. Os dados confirmam que a geometria inicial dos núcleos é o principal motor do fluxo, e que a matéria resultante se expande como um fluido quase perfeito. Este trabalho preenche a lacuna entre o estudo de íons pesados e sistemas menores, mostrando que o surgimento do comportamento de fluido coletivo é uma característica robusta da cromodinâmica quântica, a teoria que descreve a força forte que mantém a matéria unida.