O experimento do Large Hadron Collider para produzir quark

Durante 30 anos, físicos de todo o mundo têm tentado reconstruir como as partículas vitais se formaram no universo primitivo. ALICE é o seu esforço mais poderoso até agora.

Por Rahul Rao | Publicado em 31 de agosto de 2023 às 6h00 EDT

NORMALMENTE, criar um universo não é tarefa do Large Hadron Collider (LHC). A maior parte da árdua ciência – identificar e rastrear bósons de Higgs, por exemplo – do maior acelerador de partículas do mundo acontece quando ele lança humildes prótons quase à velocidade da luz.

Mas durante cerca de um mês, perto do final de cada ano, o LHC muda a sua munição de protões para balas que são cerca de 208 vezes mais pesadas: iões de chumbo.

Quando o LHC colide esses iões uns com os outros, os cientistas podem – se tiverem resolvido tudo corretamente – vislumbrar uma gota fugaz de um universo como aquele que deixou de existir alguns milionésimos de segundo após o big bang.

Esta é a história do plasma quark-glúon. Pegue um átomo, qualquer átomo. Retire suas nuvens eletrônicas rodopiantes para revelar seu núcleo, o núcleo atômico. Em seguida, corte finamente o núcleo em seus componentes de base, prótons e nêutrons.

Quando os físicos dividiram um núcleo atômico pela primeira vez no início do século 20, isso foi o mais longe que conseguiram. Prótons, nêutrons e elétrons formaram toda a massa do universo – bem, esses, mais traços de partículas eletricamente carregadas de vida curta, como múons. Mas cálculos, aceleradores de partículas primitivos e raios cósmicos que atingem a atmosfera da Terra começaram a revelar uma coleção adicional de partículas esotéricas: kaons, píons, hiperons e outras que parecem dar poderes psíquicos aos alienígenas.

Parecia bastante deselegante da parte do universo apresentar tantos ingredientes básicos. Os físicos logo descobriram que algumas dessas partículas não eram nada elementares, mas combinações de partículas ainda menores, que nomearam com uma palavra parcialmente inspirada em Finnegans Wake de James Joyce: quarks.

Os quarks vêm em seis “sabores” diferentes, mas a grande maioria do universo observável consiste em apenas dois: quarks up e quarks down. Um próton consiste em dois quarks up e um quark down; um nêutron, dois para baixo e um para cima. (Os outros quatro, em ordem crescente de peso e indefinição: quarks estranhos, quarks charmosos, quarks bonitos e o quark superior.)

Neste ponto termina a lista de ingredientes. Normalmente não é possível transformar um próton ou um nêutron em quarks em nosso mundo; na maioria dos casos, os quarks não podem existir por si próprios. Mas na década de 1970, os físicos encontraram uma solução alternativa: aquecer as coisas. Num ponto que os cientistas chamam de temperatura de Hagedorn, essas partículas subatômicas são reduzidas a uma sopa de quarks de alta energia e às partículas ainda menores que as unem: os glúons. Os cientistas apelidaram essa sopa de plasma de quark-gluon (QGP).

É uma receita tentadora porque, mais uma vez, os quarks e os glúons normalmente não podem existir por si próprios, e reconstruí-los a partir das partículas maiores que eles constroem é um desafio. “Se eu lhe der água, será muito difícil determinar as propriedades [dos átomos de hidrogénio e de oxigénio]”, afirma Bedangadas Mohanty, físico do Instituto Nacional de Educação e Investigação Científica da Índia e do CERN. “Da mesma forma, posso fornecer prótons, nêutrons, píons… mas se você realmente deseja estudar as propriedades de quarks e glúons, você precisa deles em uma caixa, de graça.”

Esta não é uma receita que você possa testar em um forno doméstico. Em unidades do mundo quotidiano, a temperatura num sistema hadrónico é de cerca de 3 biliões de graus Fahrenheit – 100 mil vezes mais quente que o centro do Sol. O melhor aparelho para o trabalho é um acelerador de partículas.

Mas não é qualquer acelerador de partículas que serve. Você precisa aumentar suas partículas com energia suficiente. E quando os cientistas decidiram criar o QGP, o LHC não era mais do que um sonho de um futuro distante. Em vez disso, o CERN tinha um colisor mais antigo com apenas cerca de um quarto da circunferência do LHC: o Super Proton Synchrotron (SPS).