Criando temperaturas mais quentes que o núcleo do Sol para descobrir segredos superfluidos
2023 é um momento emocionante para o estudo de plasmas de quark-gluon.
- Cientistas do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) em Nova York geraram temperaturas de 4 trilhões de graus Celsius usando um acelerador de partículas.
- Essa temperatura é pelo menos 10 vezes mais quente que o centro de uma supernova e cerca de 250.000 vezes mais quente que o centro do Sol.
- Essas temperaturas extremas podem produzir plasmas de quark-gluon, e novas melhorias no sistema podem ajudar os cientistas a aprender mais sobre esses plasmas.
Quando você aquece as coisas, pode esperar efeitos familiares. Aqueça o gelo e ele derrete. Aqueça a água e ela se transforma em vapor. Esses processos ocorrem em diferentes temperaturas para diferentes materiais, mas o padrão se repete: o sólido torna-se líquido e depois o gás. Em temperaturas suficientemente altas, no entanto, o padrão familiar se quebra. Em temperaturas superaltas, um tipo diferente de líquido é formado.
Esse resultado surpreendente ocorre porque sólido, líquido e gasoso não são os únicos estados da matéria conhecidos pela ciência moderna. Se você aquecer um gás – vapor, por exemplo – a temperaturas muito altas, coisas estranhas acontecem. A uma certa temperatura, o vapor fica tão quente que as moléculas de água não se mantêm mais unidas. O que antes eram moléculas de água com dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio (o familiar H 2 O) torna-se desconhecido. As moléculas se decompõem em átomos individuais de hidrogênio e oxigênio. E, se você aumentar ainda mais a temperatura, eventualmente o átomo não será mais capaz de reter seus elétrons e você ficará com núcleos atômicos nus marinados em um banho de elétrons energéticos. Isso é chamado de plasma.
Enquanto a água se transforma em vapor a 100ºC (212ºF), ela não se transforma em plasma até uma temperatura de cerca de 10.000ºC (18.000ºF) – ou pelo menos duas vezes mais quente que a superfície do Sol. No entanto, usando um grande acelerador de partículas chamado Colisor Relativístico de Íons Pesados (ou RHIC), os cientistas são capazes de colidir feixes de núcleos de ouro nus (ou seja, átomos de ouro com todos os elétrons removidos). Usando esta técnica, os pesquisadores podem gerar temperaturas em um valor impressionante de cerca de 4 trilhões de graus Celsius, ou cerca de 250.000 vezes mais quente que o centro do Sol.
Nessa temperatura, não apenas os núcleos atômicos são divididos em prótons e nêutrons individuais, os prótons e nêutrons literalmente derretem, permitindo que os blocos de construção de prótons e nêutrons se misturem livremente. Essa forma de matéria é chamada de “,” nomeado para os constituintes de prótons e nêutrons.
Temperaturas tão altas não são normalmente encontradas na natureza. Afinal, 4 trilhões de graus é pelo menos 10 vezes mais quente que o centro de uma supernova, que é a explosão de uma estrela tão poderosa que pode ser vista a bilhões de anos-luz de distância. A última vez que temperaturas tão quentes existiram comumente no universo foi um escasso milionésimo de segundo depois que começou (10 -6 s). Em um sentido muito real, esses aceleradores podem recriar versões minúsculas do Big Bang.
Gerando plasmas de quark-gluon
A coisa bizarra sobre plasmas de quark-gluon não é que eles existam, mas sim como eles se comportam. Nossa intuição que desenvolvemos a partir de nossa experiência com mais temperaturas em escala humana é que quanto mais quente algo fica, mais ele deve agir como um gás. Portanto, é completamente razoável esperar que um plasma de quark-glúon seja algum tipo de “supergás” ou algo assim; mas isso não é verdade.
Em 2005, pesquisadores usando o acelerador RHIC encontrado que um plasma quark-gluon não é um gás, mas sim um “superfluido”, o que significa que é um líquido sem viscosidade. A viscosidade é uma medida de quão difícil é um líquido para agitar. O mel, por exemplo, tem uma alta viscosidade.
Em contraste, os plasmas de quark-gluon não têm viscosidade. Uma vez mexidos, eles continuam se movendo para sempre. Este foi um resultado tremendamente inesperado e causou grande entusiasmo na comunidade científica. Também mudou nossa compreensão de como foram os primeiros momentos do universo.
O RHIC instalação está localizada no Laboratório Nacional de Brookhaven , a Laboratório de Ciências do Escritório do Departamento de Energia dos EUA , operado pela Brookhaven Science Associates. Está localizado em Long Island, em Nova York. Embora o acelerador tenha iniciado suas operações em 2000, ele passou por atualizações e espera-se que retome as operações nesta primavera com maior energia de colisão e com mais colisões por segundo. Além das melhorias no próprio acelerador, os dois experimentos usados para registrar os dados gerados por essas colisões foram significativamente aprimorados para acomodar as condições operacionais mais desafiadoras.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraO acelerador RHIC também colidiu outros núcleos atômicos, para entender melhor as condições em que os plasmas de quark-gluon podem ser gerados e como eles se comportam.
RHIC não é o único colisor no mundo capaz de colidir núcleos atômicos. O Grande Colisor de Hádrons (ou LHC), localizado no laboratório do CERN na Europa, tem capacidade semelhante e opera com energia ainda maior do que o RHIC. Por cerca de um mês por ano, o LHC colide núcleos de átomos de chumbo juntos. O LHC está em operação desde 2011 e plasmas de quark-gluon também foram observados lá.
Embora o LHC seja capaz de gerar temperaturas ainda mais altas que o RHIC (cerca do dobro), as duas instalações são complementares. A instalação RHIC gera temperaturas perto da transição em plasmas de quark-gluon, enquanto o LHC sonda o plasma mais longe da transição. Juntas, as duas instalações podem explorar melhor as propriedades do plasma quark-gluon melhor do que qualquer uma poderia fazer independentemente.
Com as capacidades operacionais aprimoradas do acelerador RHIC e os dados de colisão de chumbo antecipados no LHC no outono, 2023 é um momento emocionante para o estudo de plasmas de quark-gluon.
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