Novo Estado da Matéria criado no CERN
Novo Estado da Matéria Criado no CERN
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15 ANOS DE UMA DESCOBERTA

A descoberta do Plasma de Quarks e Gluões (QGP) -- estado primordial da matéria agora recriado no laboratório levou cerca de 15 anos.

No domínio da Física das Partículas pode considerar-se uma descoberta rápida!

QUAIS FORAM OS CAMINHOS QUE NOS LEVARAM À DESCOBERTA?

I - MOTIVAÇÃO

      No processo do conhecimento há sempre uma inter-relação entre teoria e experimentação.

      A Cromodinâmica Quântica (QCD), teoria que rege o mundo das partículas, prevê que a matéria hadrónica [1], tal a como conhecemos hoje, tenha uma transição de fase para um novo estado de matéria - o Plasma de Quarks e Gluões. Este novo estado não é mais do que o estado de matéria primordial que existiu alguns microssegundos após a explosão inicial que formou o Universo - o Big Bang. Na matéria hadrónica normal, os quarks e gluões estão confinados em pequenos "sacos", os hadrões. Por aquecimento ou compressão da matéria hadrónica, a teoria QCD prevê que se dê uma transição de fase em que os "sacos" hadrões se rompem e os seus constituintes quarks e gluões passam a estar livres como numa sopa, ou seja, ficam desconfinados.

II - A PALAVRA É DADA À EXPERIMENTAÇÃO

      As experiências sondam a realidade, descobrindo novos fenómenos, e testam os modelos teóricos.

      Os 15 anos da nossa pesquisa experimental dividem-se em duas fases descrita a seguir - o programa exploratório de iões leves (oxigénio e enxofre) e o programa de aceleração de iões pesados (chumbo) no acelerador SPS do CERN (Super Proton-Synchrotron).

ACELERAR IÕES DE OXIGÉNIO E ENXOFRE - A Experiência NA38

      O período de 1984 a 1992, corresponde ao programa de iões de oxigénio e enxofre a energias de 200 GeV/nucleão [2], desde a data de entrega no CERN da "Carta de Intenções" declarando o nosso interesse na utilização de feixe de iões ultra-relativistas para a pesquisa de QGP, seguida da Proposta de Experiência que foi aceite com o nome de NA38, até ao último ano de tomada de dados com estes iões leves (enxofre).

PORTUGAL ENTRA EM CENA

      Portugal participou no projecto desde a primeira hora. Em 1984 éramos 3 jovens portugueses, a acabar as nossas teses de doutoramento num laboratório francês, que já estavam a pensar no seu regresso à Pátria como físicos. Em 1985 a Proposta de Experiência, que inclui a distribuição de responsabilidades, foi assinada por 7 portugueses, 22 franceses, 3 suíços e um espanhol. Em fins de 1986 um primeiro feixe de iões de oxigénio foi acelerado no SPS do CERN e canalizado para as seis experiências, entre elas a nossa, NA38. Ao mesmo tempo nasce o nosso Laboratório LIP e Portugal torna-se oficialmente membro do CERN.

AS PARTÍCULAS $\psi$ DESAPARECEM!

      Neste período, grande excitação houve logo de início nas observações que fazíamos através da [3] de apenas duas partículas, pares de muões (um positivo e outro negativo), emitidas nas colisões com alvos pesados de urânio.

      Os muões são partículas estáveis, que podem resultar da desintegração de outras como o , o , o , o , etc (leia-se ró, ómega, fi e psi), partículas estas que se visualizam como estruturas em picos situados "nas encostas duma montanha", conforme a sua massa.

      Acontece que, no caso do pico do $\psi$, observámos a sua diminuição com o aumento de energia posto em jogo na colisão (nas colisões frontais, ou centrais, entre um ião do feixe e um átomo do alvo há mais densidade de energia do que nas colisões laterais, ou periféricas).

      Ora, dois físicos teóricos, o alemão H. Satz e o japonês T. Matsui, tinham previsto em 1985 que a partícula $\psi$ seria impedida de se formar, i.e., a sua produção seria suprimida no caso em que se criasse o Plasma de Quarks e Gluões.

      Na verdade, no desconfinamento os quarks e gluões encontram-se muito juntos, não havendo a distância necessária para que os quarks $c$ e $c_bar$ (os constituintes da partícula $\psi$ ) se relacionem.

A PRUDÊNCIA É BOA CONSELHEIRA

      Apesar da grande excitação causada por esta observação, não tínhamos os dados todos para concluir termos recriado no laboratório o novo estado da matéria, o QGP. Por isso, abstivemo-nos de o anunciar. Os cientistas só podem fazer afirmações quando têm a certeza, após a exclusão de todas as hipóteses alternativas.

      De facto, o desenvolvimento de modelos "clássicos" veio a permitir explicar estes nossos primeiros resultados através da interacção do $\psi$, e sua consequente destruição, num meio muito denso, o gás de hadrões resultante deste tipo de colisões.

      Ainda não tínhamos atingido a densidade de energia suficiente para que se desse a transição de fase entre a matéria hadrónica e o Plasma de Quarks e Gluões, mas sentíamos que estavamos lá quase!

AVANÇAR COM IÕES DE CHUMBO - A Experiência NA50

      Assim surgiu a ideia de uma segunda fase de experiências no CERN com iões mais pesados. Uma nova Proposta de Experiência foi submetida em 1992, pelos membros da colaboração NA38 (portugueses, franceses e suíço) acrescida de físicos oriundos da Itália, Rússia e Roménia (vindo a Arménia a juntar-se-nos quatro anos mais tarde). A experiência ficou com o nome de NA50 e começou a utilizar feixes de iões de chumbo desde então disponíveis no CERN, a 158 GeV/nucleão.

DESAPARECEM CADA VEZ MAIS PARTÍCULAS $\psi$ !

      Após a primeira "rodagem" do dispositivo experimental em fins de 1994 que compreende o espectrómetro usado em NA38 melhorado e acrescido de novos detectores,

os primeiros resultados começaram a surgir da análise dos dados tomados em fins de 1995: nas colisões chumbo-chumbo o $\psi$ é ainda mais suprimido do que nas interacções com iões mais leves e, desta vez de maneira claramente anómala, i.e., não previsível pelos modelos hadrónicos que tinham sido afinados para as interacções com protões e iões leves (até ao enxofre) e que fazem previsões muito precisas para qualquer tipo de colisão de iões desde que não haja mudança de estado.

      Fizemos várias verificações, controlámos exaustivamente as hipóteses de erro e, certos da coerência dos resultados (para a mesma densidade de energia obtida, quer em colisões laterais chumbo-chumbo, quer interacções enxofre-urânio, o número de $\psi$ produzidos é igual), estavámos prontos a anunciá-los. Assim, a primeira apresentação pública da supressão anómala do $\psi$ foi feita em Março de 1996 por uma portuguesa, em representação de NA50, numa Conferência Internacional da especialidade, em França, tendo havido na altura ecos na imprensa portuguesa público de 7/5/96.

      A excitação ressurgiu: seria esta supressão anómala do $\psi$ o sinal da formação de QGP que procurávamos?

PERCEBER MELHOR: Obter Maior Número de Colisões

      Mas, mais uma vez prudentemente, antes de qualquer afirmação definitiva, continuámos com as nossas experiências para aumentarmos a estatística e assim medirmos com maior precisão e em função da densidade de energia este desaparecimento extraordinário da partícula $\psi$ nas colisões ultra- relativistas de chumbo contra alvos de chumbo. Para tal, usámos alvos mais espessos e feixes mais intensos na tomada de dados efectuada em fins de 1996.

EUREKA!

      Os resultados são cada vez mais espectaculares! Uma descontinuidade em forma de degrau, como na evolução da temperatura da água na transição de fase do estado líquido para o estado gasoso, é observada nas colisões semi-frontais.

      Estávamos perante a transição de fase procurada entre a matéria hadrónica e o Plasma de Quarks e Gluões!

      Durante dois anos os teóricos mais irredutíveis tentaram por todos os meios afinar os seus modelos baseados na concepção clássica, i.e., sem introdução de desconfinamento, mas os seus esforços de explicação dos dados redundaram num insucesso total! Os resultados exaustivos de NA50 descrevendo a formação da partícula $\psi$ desde as colisões protão-hidrogénio até chumbo-chumbo eram detalhados "demais". Era impossível explicar duma maneira única, sem admitir a transição de fase para QGP, a produção do $\psi$ por no's medida nas interacções de protão com diferentes alvos (deutério, carbono, alumínio, cobre, tungsténio, urânio), e de oxigénio-cobre, oxigénio-urânio, enxofre-urânio e chumbo-chumbo.

E A PESQUISA CONTINUA

      Nós, os experimentalistas de NA50, não parámos! Em fins de 1998, medimos com mais precisão as colisões frontais chumbo-chumbo e, da sua análise, que decorreu no ano seguinte, um novo degrau (descontinuidade) surgiu. Os primeiros resultados, então preliminares, foram apresentados em Maio de 1999 na grande Conferência Internacional Quark Matter 99, na Itália.

      Nesta mesma Conferência, o teórico alemão acima citado, Helmut Satz, explica qualitativamente as observações apresentadas por NA50 no quadro da formação de QGP.

SINAL DO PLASMA DE QUARKS E GLUÕES:
A Supressão do $\psi$ em Colisões Centrais Chumbo-Chumbo

      A descrição deste comportamento com dois degraus é simples. Há partículas que se desintegram noutras. Por exemplo, o $\chi$ (leia-se qui) [4] decai rapidamente, algumas vezes para o $\psi$. Por isso, na experiência NA50, 30% dos $\psi$ detectados vêm do "pai" $\chi$, 10% do "pai" $\psi$ ' e 60% são produzidos directamente. Sendo o "saco" do $\chi$ maior que o do $\psi$, as colisões semi-frontais têm já a densidade de energia suficiente que impede a distância necessária para a formação do $\chi$ (corresponde o primeiro degrau). O $\psi$, cujo "saco" é mais pequeno, só é impedido de se formar a densidades de energia maiores, obtidas nas interacções mais frontais (temos o segundo degrau).

      Após este nosso resultado, a Comunidade Científica teve a sua "transição de fase psicológica", i.e., passou a acreditar que, de facto, com as colisões de iões de chumbo a alta energia conseguia-se atingir por uns instantes ínfimos o novo estado da matéria!

FOMOS OS PRIMEIROS

      A partir desta evidência cabalmente observada pela experiência NA50, as outras experiências do CERN que também utilizam o feixe de iões de chumbo para a pesquisa do QGP, com outro tipo de sondas que não a produção da partícula $\psi$, passam a tirar a conclusão de que algumas das suas observações, um pouco bizarras, são também o resultado da formação de QGP, havendo embora explicações possíveis no quadro dum gás de hadrões, i.e., não se considerando a transição de fase. A grande diferença é que nenhum desses sinais, ao invés da supressão do $\psi$, é uma manifestação clara de transição de fase para QGP, ou seja com variações bruscas, que permita uma conclusão inequívoca.

III - O FIM DA CAMINHADA

      A corrida para a descoberta do estado primordial da matéria tinha chegado ao fim! O desconfinamento de quarks e gluões foi observado pela primeira vez na experiência NA50. O respectivo artigo científico foi aceite para publicação na semana passada pela revista científica da especialidade, Physics Letters B.

      A descoberta está feita! Acrescentámos mais uma peça no puzzle complexo que é a compreensão da estrutura da matéria e a formação do Universo. Novas etapas virão. Energias muito mais elevadas, só possíveis em colisionadores (RHIC e LHC), são necessárias para que o novo estado da matéria não seja tão efémero e permita o estudo sistemático do seu comportamento, das suas características e das suas propriedades.



Paula Bordalo
15/Fev/2000


[1] Matéria hadrónica
Exemplos da matéria hadrónica são os protões e neutrões (constituintes dos núcleos atómicos). Estes por sua vez são constituídos pelos quarks que se encontram confinados nos "sacos" hadrões. Nos hadrões, os quarks interagem entre si trocando gluões, os mensageiros da força forte, tal como no Electromagnetismo as cargas eléctricas interagem trocando mensageiros que são os fotões.
[2] O que significa "energia de 200 GeV/nucleão"?
Cada nucleão, ou seja, cada protão ou neutrão do ião, tem uma energia 200 milhares de milhão de vezes superior à que um electrão ganha ao atravessar uma diferença de potencial de um Volt. Neste sentido, quanto maior for o ião, maior é a energia total posta em jogo, por exemplo:
  • nos feixes de iões de oxigénio, cada ião transporta a energia de 16 nucleões x 200 GeV = 3 200 000 000 000 x energia do electrão
  • nos feixes de iões de enxofre, cada ião transporta a energia de 32 nucleões x 200 GeV = 6 400 000 000 000 x energia do electrão
[3] Detecção de muões
De facto, nas colisões de iões a altas energias são produzidas inúmeras partículas como se vê na figura mas, na nossa experiência NA38 só estamos interessados na deteccao de muões, tarefa que é muito facilitada pelo facto de introduzirmos um muro de carbono e ferro com uma espessura total de 4,8 metros próximo do alvo (a menos de um metro). Este muro absorve todas as partículas e só os muões (ou aquelas que se desintegram imediatamente nelas) é que o conseguem atravessar pelo facto de eles interagirem muito pouco com a matéria.
[4] A partícula $\chi$
O $\chi$, tal como o $\psi$, é também um estado ligado dum quark charme com um antiquark charme, mas mais fracamente ligado que o $\psi$ (a distância entre os quarks no $\chi$ é maior que no $\psi$).