As ideias principais
- Físicos do MIT e da UCSB calcularam como um quark pesado relativista poderia mudar seu momento ao atravessar um gás de quarks e glúons com interações fracas.
- O cálculo prevê uma distribuição semelhante à de um sino para impactos pequenos, mas mudanças grandes mais frequentes e assimétricas.
- A comparação com experimentos é apresentada como uma possível forma de estudar a estrutura microscópica do plasma; a fonte não informa que tenha havido uma verificação experimental da previsão.
Um cálculo para estudar o plasma primordial
Na primeira fração de segundo após o Big Bang, a matéria existiu como um plasma de quarks e glúons a um trilhão de graus. Essa mistura de partículas durou alguns microssegundos, antes que seus componentes se unissem para formar prótons e nêutrons mais estáveis. Para estudar esse fluido primordial, os cientistas recriam plasmas de quarks e glúons em aceleradores de partículas: as colisões de íons produzem gotas aproximadamente do tamanho de um núcleo atômico, que existem por apenas dezenas de septilionésimos de segundo. MIT
Uma estratégia consiste em acompanhar partículas pesadas que não fazem parte do plasma, mas o atravessam. A maneira como elas se movem pode revelar aspectos da estrutura microscópica do fluido. No entanto, transpor sem alterações a descrição clássica do movimento browniano para essas condições extremas apresenta um problema: a velocidades próximas à da luz, a relação esperada entre o arrasto e as flutuações do fluido não capta por completo as interações.
Físicos do MIT e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB) desenvolveram uma teoria que prevê como um fluido pode empurrar e frear uma partícula relativista. Segundo a notícia do MIT, a equipe propõe que a teoria poderia ser aplicada a quarks pesados que atravessam o plasma de quarks e glúons. Suas previsões poderiam ser comparadas com experimentos para caracterizar a estrutura microscópica do plasma; a notícia não informa que essa verificação já tenha sido realizada. MIT
Dos impactos brownianos às mudanças relativistas
Em 1905, Albert Einstein descreveu como o movimento irregular de partículas suspensas em um fluido pode fornecer informações sobre as forças microscópicas desse meio. Nessa explicação, o movimento resulta de um equilíbrio entre o arrasto, que tende a frear a partícula, e os empurrões aleatórios do fluido. A probabilidade desses empurrões é representada por uma curva em forma de sino: os de intensidade intermediária são mais prováveis, e os extremos, menos prováveis.
No novo estudo, Jean Du Plessis, do Centro de Física Teórica do MIT, e Bruno Scheihing-Hitschfeld, do Instituto Kavli de Física Teórica da UCSB, calcularam as forças que um quark pesado experimentaria ao se mover a velocidades relativistas por um fluido. Para isso, realizaram cálculos da força nuclear forte, que mantém quarks e glúons unidos. Como ponto de partida, escolheram um gás de quarks e glúons com interações fracas, porque as interações fracas tornavam os cálculos manejáveis.
A partir desse cenário, calcularam quanto o momento do quark poderia mudar e obtiveram uma distribuição de probabilidades para essas mudanças. Para os impactos pequenos, a curva mantém uma forma semelhante à de um sino. Em contrapartida, suas extremidades são desiguais: os impactos grandes são mais frequentes do que a curva browniana anteciparia e não têm a mesma probabilidade em direções opostas. Em particular, é mais provável um impacto grande que freie o quark mais do que o esperado pelo arrasto do que um impacto de tamanho equivalente que o faça avançar mais rápido do que o previsto. MIT
| Aspecto | Imagem browniana habitual | Previsão para quarks pesados relativistas |
|---|---|---|
| Mudanças pequenas | Distribuição em forma de sino | Forma semelhante à de um sino |
| Impactos grandes | Muito pouco frequentes nas extremidades | Mais frequentes do que a curva em sino prevê |
| Direção dos impactos extremos | A distribuição habitual não descreve a assimetria indicada | É mais provável o impacto que freia mais o quark do que um equivalente que o acelere em relação ao esperado |
A tabela resume o cálculo teórico divulgado pelo MIT; não representa uma distribuição medida experimentalmente. MIT
Uma estrutura que poderia oferecer novas pistas
A equipe repetiu o cálculo para plasmas compostos por diferentes partículas e encontrou a mesma curva inclinada, independentemente da composição considerada. Também identificou uma estrutura semelhante em um cálculo anterior de um plasma fortemente acoplado, apesar das diferenças na física microscópica. Du Plessis descreveu esse padrão como aparentemente universal e observou que o trabalho o formaliza. A fonte apresenta esses resultados como cálculos teóricos, não como uma corroboração experimental independente. MIT
A possível utilidade do resultado depende de como os quarks pesados se comportam em experimentos. Se a frequência das mudanças grandes depender da natureza microscópica do plasma, medi-las poderia fornecer informações adicionais sobre o meio. Os autores propõem comparar suas previsões com experimentos para caracterizar o plasma e estudar que tipo de fluido existiu nos primeiros momentos do universo. Essa comparação é apresentada como uma possibilidade futura, não como um resultado já obtido.
Du Plessis também interpreta que o plasma primordial talvez tenha sido mais parecido com um líquido do que com um gás e tenha interagido mais fortemente do que o modelo browniano sugeriria. A notícia atribui essa interpretação ao pesquisador; não a apresenta como uma observação direta do plasma primordial. MIT
Pesquisa e contexto institucional
O MIT informa que Du Plessis e Scheihing-Hitschfeld relataram seus resultados naquele dia na Physical Review Letters. A pesquisa recebeu apoio parcial do Escritório de Física Nuclear do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos, da Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (NSF) e da Fundação Simons. MIT
Como contexto institucional, a NSF indica que apoia a pesquisa básica e aplicada principalmente por meio de subsídios, além de apoiar colaborações e infraestrutura científica. Essas informações descrevem o papel geral da agência, mas não confirmam de maneira independente os resultados do estudo. NSF: apoio à pesquisa
A referência da NSF sobre pesquisa de materiais descreve programas voltados à compreensão de materiais, suas propriedades e possíveis aplicações. Não traz informações específicas sobre o plasma de quarks e glúons nem valida o cálculo divulgado pelo MIT. NSF: pesquisa sobre materiais
O que sabemos e quais são seus limites
O resultado descrito é teórico e parte de um cenário de quarks e glúons com interações fracas, escolhido para tornar os cálculos manejáveis. A aplicação ao plasma de quarks e glúons e a comparação com experimentos são apresentadas como possibilidades, não como resultados já obtidos. A aparente universalidade baseia-se em cálculos para diferentes plasmas e na comparação com um cálculo anterior, não em uma corroboração experimental independente. As referências da NSF fornecem contexto institucional e não verificam a descoberta.
Segue a evidência
As fontes originais para explorar esta explicação e seus limites.
- Estudos e resultados: como a NSF apoia a pesquisa NSF
-
Como a pesquisa sobre materiais e seus resultados são organizados
NSF
Referência institucional de contexto. Não constitui confirmação independente dos resultados da fonte principal. - Desvendando a estrutura do plasma de quarks e glúons, o primeiro fluido do universo MIT