STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

Durante um quarto de século, cientistas têm colidido núcleos atômicos pesados quase à velocidade da luz para recriar as condições que existiam apenas milésimos de segundo após o Big Bang. Este ambiente extremo, criado dentro de um grande acelerador de partículas conhecido como Relativistic Heavy Ion Collider, é quente e denso o suficiente para derreter os prótons e nêutrons que compõem a matéria comum. Quando essas partículas derretem, elas formam um novo estado da matéria chamado plasma de quarks-glúons, uma sopa de partículas fundamentais que flui com quase nenhum atrito. Ao estudar como esse plasma se comporta, os pesquisadores esperam compreender as forças fundamentais que mantêm o universo unido. Uma questão fundamental para os físicos tem sido determinar exatamente quão pequena pode ser uma colisão antes que este estado exótico de matéria, semelhante a um fluido, pare de se formar. O plasma requer uma colisão massiva entre dois átomos de ouro pesados, ou pode emergir da colisão muito menor de um único próton com um núcleo pesado?

Um relatório recente da colaboração STAR, um grupo de pesquisadores que opera um grande detector no acelerador, oferece uma visão abrangente de vinte e cinco anos de dados para responder a essas perguntas e explorar outros mistérios do mundo subatômico. A equipe analisou colisões envolvendo dezenas de diferentes combinações de espécies atômicas, variando de prótons minúsculos a átomos de urânio pesados, e através de uma ampla gama de níveis de energia. O trabalho deles confirma que a assinatura deste plasma quente e fluido aparece mesmo em sistemas de colisão muito pequenos, desde que as condições sejam adequadas. Eles também descobriram novas maneiras de medir a estrutura interna de núcleos atômicos e encontraram evidências de partículas exóticas que existem apenas por um momento fugaz antes de decairem.

Uma das descobertas mais significativas diz respeito ao tamanho do sistema necessário para criar este plasma. Durante anos, os cientistas debateram se o comportamento fluido visto em grandes colisões era uma verdadeira fase da matéria ou apenas uma coleção de interações independentes de partículas. A equipe STAR investigou isso colidindo núcleos de oxigênio com outros núcleos de oxigênio, um sistema muito menor do que as colisões de ouro com ouro usadas no passado. Eles buscaram vários sinais distintos de que um plasma havia se formado. Observaram que partículas de alta energia estavam sendo desaceleradas conforme passavam pelo meio, um fenômeno conhecido como jet quenching (extinção de jato). Eles também viram que a produção de certas partículas pesadas era suprimida, sugerindo que estavam sendo quebradas pelo calor intenso. Além disso, a radiação emitida pela colisão indicou uma temperatura consistente com um plasma quente, e a produção de partículas estranhas aumentou de uma forma que correspondia às previsões para um meio fluido. Quando compararam essas colisões de oxigênio com colisões envolvendo deutério, um isótopo leve do hidrogênio, descobriram que o comportamento fluido dependia da forma e da estrutura interna dos núcleos colididos, confirmando que o sinal provém de uma resposta coletiva da matéria e não de uma chance aleatória.

Além do próprio plasma, os pesquisadores usaram essas colisões para estudar a existência fugaz de núcleos atômicos instáveis. Em colisões de baixa energia, eles mediram com sucesso a produção de isótopos de lítio que são tão instáveis que decaem quase instantaneamente. Ao rastrear como essas partículas de vida curta interagiam com a matéria densa circundante, a equipe foi capaz de testar teorias sobre como os núcleos atômicos são construídos a partir de pedaços menores. Eles descobriram que as partículas de vida mais curta eram produzidas em números menores do que suas contrapartes mais estáveis, um resultado que reflete diretamente a competição entre a formação desses núcleos e sua destruição pelo ambiente circundante. Em uma busca separada por matéria exótica, a equipe procurou por átomos muônicos, estruturas raras onde um múon, um primo pesado do elétron, orbita um hádrons. Eles encontraram um sinal claro para esses átomos nos detritos da colisão, fornecendo um novo método para estudar a produção de múons suaves que são de outra forma impossíveis de detectar diretamente.

O estudo também se aprofundou no spin, ou rotação intrínseca, das partículas, uma propriedade que revela segredos profundos sobre o vácuo quântico. A equipe mediu o alinhamento do spin de mésons fêni, um tipo de partícula feita de um quark estranho e seu antiquark. Ao analisar a distribuição bidimensional completa das partículas nas quais eles decaem, detectaram um sinal não nulo nos elementos fora da diagonal da matriz de spin. Isso indica que os spins do quark e do antiquark estão correlacionados de uma forma específica. Para entender a origem dessa correlação, eles a compararam com medições de pares lambda-antilambda em colisões de prótons, onde encontraram uma forte correção que sugere que o vácuo quântico imprime sua estrutura sobre as partículas conforme elas são criadas. A equipe está agora trabalhando para ver se essa correlação sobrevive no plasma quente de colisões de íons pesados, o que lhes dirá se o calor extremo derrete a estrutura do vácuo ou se ela persiste.

Finalmente, os pesquisadores desenvolveram novas maneiras de medir o fluxo da matéria criada nessas colisões. Eles examinaram como o momento médio das partículas flutua de uma colisão para outra, o que revela como o tamanho da bola de fogo inicial muda. Essas medições permitiram que estimassem a velocidade do som dentro do plasma de quarks-glúons, um valor que descreve o quão rígido ou compressível é o meio. Seus resultados sugerem que a velocidade do som muda com a temperatura de uma forma que coincide com cálculos teóricos da cromodinâmica quântica de rede. Eles também descobriram que a maneira como as partículas fluem depende de sua massa, com partículas mais pesadas ganhando mais momento do fluido em expansão, um padrão que se mantém em todos os diferentes sistemas de colisão que estudaram. Esse mapeamento detalhado das propriedades do plasma fornece uma imagem mais clara de como o universo se comportou em seus momentos iniciais e prepara o cenário para futuras descobertas nas próximas décadas.