Físicos recriaram o primeiro milissegundo após o Big Bang e descobriram que ele era surpreendentemente viscoso

A compreensão de que o cosmos já foi uma substância densa e fluida ganhou um novo capítulo com dados extraídos do Grande Colisor de Hadrons operado pela Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear. Ao colidir núcleos de chumbo uns contra os outros em velocidades que desafiam o senso comum, físicos detectaram uma assinatura sutil deixada por um quark em alta energia. Esse sinal, uma leve “depressão” na esteira da partícula, confirma que o estado primordial da matéria reagia de forma coletiva, assemelhando-se mais a um caldo viscoso do que a um aglomerado de partículas soltas.

Ilustração de um quark atravessando em alta velocidade um plasma de quarks e glúons, que preenchia o universo nos primeiros milissegundos após o Big Bang. Físicos demonstraram que essas interações deixam um “rastro” nítido, indicando que esse plasma primordial tinha um comportamento fluido, como uma espécie de sopa. Crédito da imagem: Jose-Luis Olivares, MIT.

Essa descoberta, relatada pela colaboração CMS no prestigiado periódico científico Physics Letters B, revela um efeito que altera a produção de partículas em menos de 1% na retaguarda do quark. Embora pareça um erro de arredondamento para quem não lida com o mundo subatômico, essa pequena oscilação é a prova de que o meio possui uma “memória” física do que passou por ele. É como se, ao atirar uma esfera de metal em um pote de doce de leite, você conseguisse medir o pequeno vácuo que se forma antes de o doce preencher o espaço novamente.

O desafio de identificar esse fenômeno reside no fato de que o plasma resultante dura apenas um suspiro temporal e ocorre em uma escala menor que um átomo. Yi Chen, que atua como professora assistente de física na Vanderbilt University, explica que separar o sinal real do ruído de fundo é uma tarefa monumental exigindo estatística de precisão cirúrgica. Ao observar como essa esteira se comporta, os cientistas podem deduzir a viscosidade do plasma, revelando que a matéria a trilhões de graus Celsius flui com uma resistência interna que moldou o início de tudo.

A precisão dos bósons Z no caos subatômico

Para conseguir enxergar o que acontece dentro dessa sopa de calor inimaginável, os pesquisadores utilizaram um truque de perspectiva envolvendo o bóson Z. Essa partícula, mensageira da força fraca, tem a peculiaridade de ser completamente ignorada pelo plasma. Em certas colisões, um quark e um bóson Z nascem como gêmeos que seguem caminhos opostos; enquanto o quark precisa “nadar” através da matéria densa, o bóson Z escapa sem qualquer interação, servindo como uma âncora de dados intacta.

Dessa forma, o bóson Z atua como um GPS que indica aos fisicos exatamente onde o quark começou sua jornada e quanta energia ele possuía originalmente. Ao comparar a energia do bóson Z com os detritos que emergem do lado do quark, a equipe do CMS consegue mapear a perda de energia sofrida pelo viajante subatômico. Sem esse marcador limpo, as análises seriam como tentar rastrear pegadas na areia enquanto uma tempestade de vento apaga os rastros em tempo real. 

O uso dessa técnica refinada permitiu que os bósons fossem usados para isolar a resposta do meio de forma sem precedentes. Diferente de experimentos anteriores, onde os “parceiros” dos quarks também interagiam com o plasma e sujavam os dados, o bóson Z sai da zona de impacto tão puro quanto entrou. Isso garante que qualquer alteração observada na distribuição das partículas seja exclusivamente culpa da interação entre o quark e a sopa de glúons que ele que que atravessou.

Desvendando a viscosidade do universo primitivo

A importância de estudar esse fluido não é apenas acadêmica; trata-se de entender a infância do próprio Big Bang. Como o universo jovem era opaco e não permitia que a luz viajasse livremente, os telescópios encontram uma parede intransponível ao olhar para trás. Aceleradores como o LHC e o Relativistic Heavy Ion Collider, nos Estados Unidos, tornam-se, portanto, microscópios temporais que recriam as condições em que prótons e nêutrons ainda eram apenas uma promessa distante.

A forma como essa depressão atrás do quark se fecha nos dá pistas sobre a fluidez da sopa cósmica. Se o meio fosse ralo, o rastro desapareceria instantaneamente; o fato de ele persistir indica uma viscosidade que desafia modelos simplistas de gases ideais. Yi Chen utiliza analogias para explicar que o tempo de resposta do plasma reflete a força das interações fundamentais entre seus componentes, mostrando que o universo começou de forma extremamente conectada e integrada, onde o movimento de um indivíduo subatômico afetava todo o coletivo ao redor.

Essa visão de um universo “pastoso” ajuda a refinar as equações que descrevem como o calor se transformou em matéria organizada. Um panorama detalhado pelo Departamento de Energia dos EUA destaca que essas surpresas sobre o plasma têm surgido há décadas, mas apenas agora temos as ferramentas para ver a mecânica de fluidos em ação nessa escala extrema. Cada nova medida de viscosidade é um passo a mais para entender por que a matéria acabou se aglomerando da forma que vemos hoje.

As implicações de um resultado quase imperceptível

Embora o sinal de 1% pareça insignificante para olhos leigos, ele representa o triunfo da engenharia e da estatística sobre o caos. Detectar um vale tão pequeno exige que o detector CMS suporte o bombardeio constante de bilhões de colisões, filtrando apenas os eventos raros onde a geometria da colisão é perfeita. É a prova de que nossa tecnologia atual consegue isolar fatos fundamentais da natureza mesmo quando eles tentam se esconder sob camadas de [verificar] interferência térmica e radiação.

Entender essa “esteira cósmica” permite testar se a força forte se comporta da mesma maneira em condições de laboratório e em modelos teóricos de astrofísica. No fundo, estamos validando as regras do jogo que permitiram que a energia esfriasse o suficiente para formar o primeiro átomo e, eventualmente, as células que compõem o Homo sapiens. Sem essa dinâmica pastosa inicial, a distribuição de energia no cosmos poderia ter sido radicalmente diferente, talvez impedindo a formação de galáxias estáveis. 

O que a ciência nos mostra aqui é que o cosmos tem uma predileção por padrões repetitivos. As leis que governam o rastro de uma esfera em um fluido denso em sua cozinha são as mesmas que descreviam o universo inteiro quando ele tinha apenas um milissegundo de vida. Existe uma simetria elegante no fato de precisarmos de maquinas que custam bilhões de dólares para confirmar algo que parece tão intuitivo: para entender a imensidão do céu, precisamos primeiro mergulhar na sopa primordial que deu origem a tudo. Essa busca incessante por precisão em efeitos minúsculos é o que nos permite, enfim, traduzir o silêncio do início dos tempos em conhecimento humano concreto.

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