Cientistas revelam os segredos dos primeiros momentos do universo

Os seus esforços concentraram-se no mapeamento da “sopa primordial” que encheu o universo no primeiro milionésimo de segundo após a sua criação.

Físicos da Universidade Eötvös Loránd estudaram os componentes do núcleo atômico usando os três aceleradores de partículas mais avançados do mundo. A sua investigação visa explorar a “sopa primordial” que existiu no universo durante os primeiros microssegundos após a sua criação. Curiosamente, as suas descobertas sugerem que o movimento observado das partículas se assemelha à procura de presas por predadores marinhos, aos padrões das alterações climáticas e às flutuações do mercado de ações.

Imediatamente após o acidente a grande explosãoAs temperaturas eram tão extremas que nem núcleos atômicos nem nucleons, seus blocos de construção, poderiam existir. Assim, neste primeiro caso, o universo estava repleto de uma “sopa primordial” de quarks e glúons.

À medida que o universo esfriou, esse meio passou por um processo de “congelamento”, levando à formação das partículas que conhecemos hoje, como prótons e nêutrons. Este fenómeno é replicado numa escala muito menor em experiências com aceleradores de partículas, onde colisões entre dois núcleos criam minúsculas gotículas de matéria quark. Estas gotículas eventualmente transitam para matéria regular através do congelamento, uma transformação conhecida pelos investigadores que conduzem estas experiências.

Diferenças na matéria quark

No entanto, as propriedades da matéria quark diferem devido às diferenças de pressão e temperatura resultantes da energia de colisão em aceleradores de partículas. Esta diferença requer medições para “escanear” a matéria em aceleradores de partículas de diferentes energias, como o Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) nos Estados Unidos, ou o Colisor de Superprótons (SPS) e o Grande Colisor de Hádrons (LHC) na Suíça.

“Este aspecto é tão importante que novos aceleradores estão sendo criados em todo o mundo, por exemplo na Alemanha ou no Japão, especificamente para tais experimentos. “Talvez a questão mais importante seja como ocorre a transição entre fases: um ponto crítico pode aparecer no mapa de fases.”, explica Mati Chanad, professor de Física do Departamento de Física Atômica da Universidade Eötvös Lorand (ELTE).

Uma montagem de trilhas reconstruídas de eventos reais de colisão e fotografias dos detectores envolvidos, no Laboratório Nacional de Brookhaven e no CERN. Fonte: Montagem feita por Máté Csanád / Eötvös Loránd University Imagens originais da montagem: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory e CMS és NA61: CERN

O objetivo de longo prazo da pesquisa é aprofundar a nossa compreensão da forte interação que governa as interações na matéria quark e nos núcleos atômicos. Nosso atual nível de conhecimento neste campo pode ser comparado ao entendimento da humanidade sobre a eletricidade nas eras Volta, Maxwell ou Faraday. Embora tivessem uma ideia das equações básicas, foi necessário muito trabalho experimental e teórico para desenvolver as tecnologias que transformaram profundamente a vida quotidiana, desde a lâmpada às televisões, telefones, computadores e Internet. Da mesma forma, a nossa compreensão da interação forte ainda está numa fase inicial, tornando crucial a investigação para a explorar e mapear.

Inovações em Femtoscopia

Os investigadores do ELTE estiveram envolvidos em experiências em cada um dos aceleradores mencionados acima, e o seu trabalho ao longo dos últimos anos levou a uma imagem abrangente da geometria da matéria quark. Eles conseguiram isso aplicando técnicas femtoscópicas. Esta técnica utiliza correlações que surgem da natureza ondulatória não clássica e quântica das partículas produzidas, que em última análise revelam a estrutura do femtômetro do meio, que é a fonte da emissão de partículas.

Pesquisadores da Universidade Eötvös trabalham para coletar dados para o experimento STAR no Laboratório Nacional de Brookhaven. Crédito: Máté Csanád / Universidade Eötvös Loránd

“Nas décadas anteriores, a femtocópia era realizada partindo do pressuposto de que a matéria quark seguia uma distribuição normal, ou seja, uma forma gaussiana encontrada em muitos locais da natureza”, explica Marton Nagy, um dos principais investigadores do grupo.

No entanto, os investigadores húngaros recorreram ao processo de Levy, também conhecido em várias disciplinas científicas, como um quadro mais geral, que é uma boa descrição da procura de presas por predadores marinhos, dos processos do mercado de ações e até das alterações climáticas. Uma característica distintiva destes processos é que em determinados momentos eles sofrem variações muito grandes (por exemplo, quando um tubarão procura alimento numa nova área), e nesses casos pode ocorrer uma distribuição de fibras em vez de uma distribuição normal (Gaussiana).

Implicações e papel do ELTE

Esta pesquisa é de grande importância por vários motivos. Em primeiro lugar, uma das características mais estudadas do congelamento da matéria quark em matéria hadrônica é o raio femtoscópico (também chamado de raio HBT, com referência ao conhecido efeito Hanbury-Brown e Twyss). Na astronomia), é derivado de medições femtoscópicas. No entanto, esta medida depende da geometria assumida do meio. Como resume Daniel Kinsis, pesquisador de pós-doutorado do grupo: “Se a suposição gaussiana não for ideal, os resultados mais precisos desses estudos só poderão ser obtidos sob a suposição de Lévy. O valor do expoente de Lévy, que caracteriza a distribuição de Lévy, pode Eles também esclarecem a natureza da transição de fase e, portanto, a sua variação com a energia de colisão fornece informações sobre as diferentes fases da matéria quark.

Os pesquisadores da ELTE estão ativamente envolvidos em quatro experimentos: NA61/SHINE no acelerador SPS, PHENIX e STAR no RHIC e CMS no LHC. O grupo NA61/SHINE da ELTE é liderado por Yoshikazu Nagai, e o grupo CMS é liderado por Gabriela Pastor; e os grupos RHIC criados por Máté Csanád, que também coordena a pesquisa femtoscópica na ELTE.

Esses grupos fazem contribuições significativas para o sucesso de experimentos em diversas capacidades, desde o desenvolvimento de reagentes até a aquisição e análise de dados. Eles também participam de diversos projetos teóricos e de pesquisas. “O que é único na nossa investigação em femtoscopia é que ela está a ser realizada em quatro experiências em três aceleradores de partículas – dando-nos uma visão ampla da geometria e das possíveis fases da matéria quark”, diz Matej Chanad.

Referência: “Um novo método para calcular funções de correlação de Bose-Einstein com interação de estado final de Coulomb” por Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad e Daniel Kinsis, 8 de novembro de 2023, Revista Física Europeia C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y