Insights surpreendentes sobre as origens da matéria no universo primitivo

Desenho artístico do spray de partículas resultante da colisão de dois átomos pesados. À medida que a sopa subatômica quente esfria, as partículas recém-formadas caem no espaço. Direitos autorais: Joseph Domenicus Lapp, editor

Os 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 algumas partículas podem originar-se de reações posteriores, e não da sopa inicial de quark-gluon que se formou imediatamente após a reação. Big BangEsta descoberta desafia suposições anteriores sobre a linha temporal da formação da matéria e sugere que grande parte da matéria que nos rodeia se formou mais tarde do que o esperado. Ao compreender estes processos, os cientistas podem interpretar melhor os resultados das experiências de colisão e melhorar o seu conhecimento sobre as origens do universo.

Recriando as duras condições que prevaleciam no universo primitivo

A temperatura do universo primitivo era 250.000 vezes mais quente que a temperatura do núcleo do Sol. Isso é muito maior do que os prótons e nêutrons que constituem a matéria que vemos em nossas vidas diárias. Os cientistas estão tentando recriar as condições que prevaleciam no início do universo nos aceleradores de partículas, colidindo átomos a uma velocidade que se aproxima da velocidade da luz. Medir a quantidade de partículas que chovem no universo permite aos cientistas compreender como a matéria é formada.

As partículas que os cientistas medem podem formar-se de diferentes maneiras: a partir da sopa original de quarks e glúons ou de interações posteriores. Estas interações subsequentes começaram 0,000001 segundos após o Big Bang, quando partículas compostas de quarks começaram a interagir umas com as outras. Um novo cálculo descobriu que até 70% de algumas das partículas medidas são provenientes destas interações posteriores, e não de interações semelhantes às que ocorreram no universo primitivo.

Compreendendo as origens da matéria

Esta descoberta melhora a compreensão científica das origens da matéria. Ajuda a determinar quanto da matéria que nos rodeia foi formada nas primeiras frações de segundo após o Big Bang, em comparação com a quantidade de matéria que se formou a partir de interações posteriores à medida que o Universo se expandia. Este resultado indica que grandes quantidades de matéria que nos rodeia se formaram mais tarde do que o esperado.

Para compreender os resultados das experiências de colisão, os cientistas devem descartar partículas formadas em interações subsequentes. Somente aqueles formados na sopa subatômica revelam as condições iniciais do universo. Este novo cálculo mostra que o número medido de partículas formadas nas reações é muito maior do que o esperado.

A importância das reações subsequentes na formação de partículas

Na década de 1990, os físicos perceberam que algumas partículas se formam em grande número a partir de interações subsequentes após a formação inicial do universo. Partículas chamadas mésons D podem interagir para formar uma partícula rara, o carmônio. Os cientistas não concordam sobre a importância deste efeito. Como o carmônio é raro, é difícil medi-lo.

No entanto, experimentos recentes fornecem dados sobre o número de colisões produzidas pelos mésons carmônio e D. Universidade de Yale A Duke University usou os novos dados para calcular a força deste efeito. Sua importância acabou sendo muito maior do que o esperado. Mais de 70% do carmônio 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 formando uma bola de fogo. Tudo isso acontece em menos de um centésimo do tempo que a luz leva para passar milhoPor ser tão rápido, os cientistas não têm certeza de como a bola de fogo se expandiu.

Os novos cálculos mostram que os cientistas não precisam necessariamente conhecer os detalhes desta expansão. No entanto, as colisões produzem uma grande quantidade de carmônio. O novo resultado aproxima os cientistas da compreensão das origens da matéria.

Referência: “J/ψ Hadron Regeneration in Pb+Pb Collisions” por Josef Dominicus Lapp e Bernt Müller, 11 de outubro de 2023, Física das letras b.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia, Programa de Física Nuclear. Um dos investigadores agradece ainda a hospitalidade e o apoio financeiro prestado durante a sua estadia na Universidade de Yale.