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Representação artística do spray de partículas surgindo da colisão de dois átomos pesados. À medida que a sopa subatômica quente esfria, partículas recém-formadas são lançadas no espaço. Crédito: Joseph Dominicus Lap, editado
Cientistas recriaram as condições extremas do universo primitivo em aceleradores de partículas, revelando insights surpreendentes sobre a formação da matéria.
Novos cálculos mostram que até 70% de certas partículas podem ter origem em reações posteriores, em vez da sopa inicial de quarks e glúons formada logo após a Big Bang. Esta descoberta desafia suposições anteriores sobre a linha do tempo da formação da matéria e sugere que grande parte da matéria ao nosso redor se formou mais tarde do que o esperado. Ao entender esses processos, os cientistas podem interpretar melhor os resultados dos experimentos do colisor e refinar seu conhecimento das origens do universo.
Recriando as condições extremas do universo primitivo
O universo primitivo era 250.000 vezes mais quente que o núcleo do nosso sol. Isso é muito quente para formar os prótons e nêutrons que compõem a matéria cotidiana. Cientistas recriam as condições do universo primitivo em aceleradores de partículas, esmagando átomos quase na velocidade da luz. Medir a chuva de partículas resultante permite que cientistas entendam como a matéria se formou.
As partículas que os cientistas medem podem se formar de várias maneiras: da sopa original de quarks e glúons ou de reações posteriores. Essas reações posteriores começaram 0,000001 segundos após o Big Bang, quando as partículas compostas de quarks começaram a interagir umas com as outras. Um novo cálculo determinou que até 70% de algumas partículas medidas são dessas reações posteriores, não de reações semelhantes às do universo primitivo.
Compreendendo as origens da matéria
Esta descoberta melhora a compreensão científica das origens da matéria. Ela ajuda a identificar quanta matéria ao nosso redor se formou nas primeiras frações de segundo após o Big Bang, em comparação com quanta matéria se formou a partir de reações posteriores à medida que o universo se expandia. Este resultado implica que grandes quantidades de matéria ao nosso redor se formaram mais tarde do que o esperado.
Para entender os resultados dos experimentos do colisor, os cientistas devem descontar as partículas formadas nas reações posteriores. Apenas aquelas formadas na sopa subatômica revelam as condições iniciais do universo. Este novo cálculo mostra que o número de partículas medidas formadas em reações é muito maior do que o esperado.
Significado das reações posteriores na formação de partículas
Na década de 1990, os físicos perceberam que certas partículas se formam em números significativos a partir das reações posteriores após a fase de formação inicial do universo. Partículas chamadas mésons D podem interagir para formar uma partícula rara, o charmonium. Os cientistas não tinham consenso sobre a importância do efeito. Como o charmonium é raro, é difícil medi-lo.
No entanto, experimentos recentes fornecem dados sobre quantos colisores de charmonium e mésons D produzem. Físicos de Universidade de Yale e a Duke University usaram os novos dados para calcular a força desse efeito. Ele acabou sendo muito mais significativo do que o esperado. Mais de 70% do charmonium medido pode ser formado em reações.
Implicações para a compreensão das origens da matéria
À medida que a sopa quente de partículas subatômicas esfria, ela se expande em uma bola de fogo. Tudo isso acontece em menos de um centésimo do tempo que a luz leva para atravessar uma átomo. Como isso é tão rápido, os cientistas não têm certeza de como exatamente a bola de fogo se expande.
O novo cálculo mostra que os cientistas não precisam saber absolutamente os detalhes dessa expansão. As colisões produzem uma quantidade significativa de charmonium independentemente. O novo resultado leva os cientistas um passo mais perto de entender as origens da matéria.
Referência: “Regeneração Hadrônica J/ψ em colisões Pb+Pb” por Joseph Dominicus Lap e Berndt Müller, 11 de outubro de 2023, Letras de Física B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138246
Este trabalho foi apoiado pelo Department of Energy Office of Science, programa de Física Nuclear. Um dos pesquisadores também reconhece a hospitalidade e o apoio financeiro fornecidos durante uma estadia sabática na Universidade de Yale.