Evidências Experimentais

Finalmente, discutiremos os experimentos realizados até agora e aqueles planejados na busca pelo plasma de quarks e glúons. Os primeiros experimentos foram realizados utilizando-se íons leves (O16_{, Si}28_{, S}32_{) tanto no AGS, de Brookhaven, quanto no SPS}

(Super Proton Synchroton), do CERN. Nos experimentos com íons O16 _{e Si}32 _{com ener-}

gia de 200GeV , foi atingida uma densidade de energia da ordem de 2GeV fm−3_{, muito}

próxima daquela predita teoricamente para a produção do plasma. Inicialmente, foram detectados vários fenômenos globais típicos da matéria em altas densidades, mas nenhum sinal do QGP foi encontrado.

Em fevereiro de 2000, contudo, pouco antes da inauguração do RHIC, os cientistas do CERN anunciaram que haviam conseguido indícios experimentais da criação do plasma de quarks e glúons. Os pesquisadores declararam que conseguiram criar o plasma em uma série de experimentos realizados no SPS, em que feixes de íons de chumbo de alta energia foram projetados contra alvos de ouro e chumbo. Tais colisões levaram a temperaturas cem mil vezes maiores do que a temperatura do núcleo do Sol, o que implica densidades de energias de 3 − 4GeV fm−3_{. Essa densidade de energia, teoricamente, já é suciente para}

através da emissão de radiação eletromagnética, por exemplo. Por essa razão, os cientistas do CERN buscaram evidências indiretas da formação do plasma. Um experimento foi planejado especialmente para detectar a raro méson J/ψ, que, como já vimos, é composto de um um quark c e seu antiquark. O quark c, por ser bastante pesado, pode ser produzido apenas imediatemente após o feixe de íons de chumbo atingir seu alvo. Teoricamente, a formação de mésons J/ψ na colisão é diminuída com o aparecimento do QGP, pois, nessas condições, a interação entre os quarks c e ¯c é reduzida. O experimento planejado no CERN de fato mediu uma diminuição no número de mésons J/ψ que atingiram o detector, sugerindo que um QGP havia sido criado. O que torna os resultados desse experimento notáveis é o fato de estes serem os primeiros que os teóricos mais céticos não conseguiram explicar satisfatoriamente sem invocar a existência de um QGP. Por essa razão, alguns defendem ser essa a primeira evidência experimental da formação de um QGP [8][77].

Na busca pelo necessário aumento de energia nos experimentos, Brookhaven colocou em funcionamento o RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) no ano de 2000, após dez anos de planejamento e construção. O RHIC acelera feixes de núcleos de Au com ener- gias de 100GeV ; para os prótons, a energia máxima do feixe é de 250GeV . Assim, o RHIC produz densidades de energia em torno de 10GeV fm−3_{, o que é mais do que o}

suciente para a produção do plasma de quarks e glúons. Em 18 de abril de 2005, em um encontro da American Physical Society (APS) em Tampa, Flórida, os quatro gru- pos de pesquisa que trabalham no RHIC declararam ter criado o QGP, mas descobriram que suas propriedades são ainda mais notáveis do que aquelas previstas teoricamente. Em uma série de artigos que resumem as descobertas realizadas nos primeiros anos de funcionamento do RHIC, os cientistas dizem que, em vez de se comportar como um gás de quarks e glúons livres, como era esperado, a nova forma de matéria criada através de colisões de íons pesados no RHIC parece se comportar mais como um líquido. Os artigos, nos quais as quatro equipes colaboradoras do RHIC (BRAHMS, PHENIX, PHO- BOS, e STAR) estiveram trabalhando por um ano, foram publicados simultaneamente na revista Nuclear Physics A [80][81][82][83] e também compilados em uma publicação especial do laboratório Brookhaven. Os resultados indicam que algumas das observações feitas no RHIC se encaixam com as predições teóricas do QGP. De fato, muitos teóricos concluíram que o RHIC já demonstrou a criação do QGP. Contudo, as quatro equipes colaboradoras perceberam que há certas discrepâncias entre os resultados experimentais e as primeiras predições teóricas baseadas em modelos simplicados do QGP. A análise dos dados obtidos no RHIC de junho de 2000 até o ano de 2003 revela que a matéria formada nas colisões entre íons de ouro se parece mais com um líquido do que com um gás. A evidência surge a partir da medida de padrões inesperados nas trajetórias seguidas pelas milhares de partículas formadas nas colisões. As medidas indicam que as partículas pri- mordiais produzidas nas colisões tendem a se mover coletivamente em resposta a variações

de pressão sobre o volume formado pelos núcleos que colidiram. Os cientistas se referem a esse fenômeno como uxo, por ser análogo ao movimento de um uido. Todavia, ao contrário dos líquidos comuns, nos quais moléculas individuais se movem de modo aproxi- madamente aleatório, a matéria quente formada no RHIC parece se mover em um padrão que exibe alto grau de coordenação entre as partículas, quase como se fosse um uido perfeito, isto é, aquele com baixíssima viscosidade e capacidade de atingir o equilíbrio tér- mico muito rapidamente, devido ao alto grau de interação entre as partículas. Enquanto os cientistas do RHIC não obtêm uma medida direta da viscosidade, é possível inferir, pelo padrão de uxo, que a viscosidade é muito baixa. Em resultados divulgados anteri- ormente, outras medidas efetuadas no RHIC mostraram jatos de quarks e glúons de alta energia sendo bastante desacelerados ao atravessarem a bola de fogo produzida nas coli- sões. Esse fenômeno demonstra que a densidade de energia dessa nova forma de matéria é extraordinariamente alta, muito mais alta do que a densidade de um meio composto por matéria nuclear ordinária. Os pesquisadores dizem que os resultados não afastam a possibilidade de que esse seja, de fato, uma forma do QGP, mas apenas diferente do que havia sido teorizado. Muitos físicos teóricos acreditam ser esse o caso e estão buscando di- ferentes alternativas para descrever o comportamento observado no RHIC para a matéria de quarks. Essas alternativas vão desde simulações numéricas até a utilização da teoria de cordas, passando pela reformulação dos modelos existentes, baseando-se nas equações hidrodinâmicas para um uido viajando com velocidade próxima à velocidade da luz.

Esses dados devem ser conrmados por experimentos futuros no próprio RHIC e no LHC (Large Hadrons Collider), do CERN, que deve começar a funcionar em 2008, reali- zando colisões de feixes de prótons com energia de 7T eV [78].

O grande momento de descobertas sobre o QGP está chegando: talvez outras e ines- peradas propriedades da matéria em altas energias e altas densidades serão descobertas, abrindo ainda maiores possibilidades de pesquisa no rico domínio da física nuclear e no estudo da interação entre núcleos numa grande faixa de energia.