CERN encontra sinais de plasma primordial em colisões de oxigênio e neônio

O Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN, abriu uma nova janela para investigar a matéria que teria preenchido o Universo nos primeiros instantes após o Big Bang. Em uma campanha dedicada a íons leves, realizada entre junho e julho de 2025, pesquisadores colidiram núcleos de oxigênio-16 e neônio-20 a uma energia de 5,36 TeV por par de núcleons. Os padrões observados nas partículas produzidas foram compatíveis com a formação de pequenas e brevíssimas gotículas de plasma de quarks e glúons (QGP).

O QGP é um estado extremamente quente e denso da matéria, no qual quarks e glúons se movem livremente antes de ficarem confinados dentro de prótons e nêutrons. Mas é importante fazer uma ressalva: os experimentos não criaram um pedaço macroscópico da matéria primordial nem fotografaram diretamente uma gotícula de plasma. A presença do QGP foi inferida a partir de vários efeitos registrados nas milhares de partículas que surgem depois de cada colisão.

Por que colisões menores são importantes

Durante décadas, os físicos de íons pesados usaram principalmente colisões entre núcleos grandes, como os de chumbo, para criar e estudar o QGP. Os sistemas mais leves oferecem um teste mais rigoroso para investigar a transição entre interações comuns de partículas e um estado coletivo que se comporta de maneira semelhante a um fluido.

A campanha de 2025 incluiu colisões oxigênio-oxigênio, neônio-neônio e próton-oxigênio. Isso permitiu comparar sistemas com tamanhos e geometrias diferentes.

O principal resultado da ALICE foi a observação de um fluxo anisotrópico guiado pela geometria nas colisões de oxigênio e neônio. As partículas não se espalharam de maneira aleatória: seus padrões de momento apresentaram componentes elípticos e triangulares, conhecidos como (v_2) e (v_3). A forma como esses componentes variaram conforme a centralidade da colisão — isto é, o grau de sobreposição entre os núcleos — concordou com cálculos hidrodinâmicos. Esses modelos relacionam a geometria inicial da colisão ao fluxo direcional da matéria em expansão.

Essa concordância é relevante porque um meio quente, denso e fortemente interativo, ao se expandir rapidamente, pode conservar informações sobre a forma da região de colisão. Nesse cenário, a geometria inicial fica registrada no movimento coletivo das partículas finais. Os dados indicam, portanto, que esse comportamento pode surgir em sistemas muito menores que as colisões chumbo-chumbo tradicionalmente associadas aos estudos de QGP.

Quatro experimentos encontraram sinais complementares

A evidência não depende apenas do fluxo coletivo. Os quatro principais experimentos do LHC observaram fenômenos que se reforçam mutuamente:

• ALICE: encontrou sinais de perda de energia de partons — partículas como quarks e glúons — em colisões oxigênio-oxigênio ao analisar a supressão de partículas de alta energia. Ao atravessar um meio quente e denso, esses partons podem perder energia antes de se transformarem nas partículas detectadas.
• ATLAS: mediu um desequilíbrio entre as energias de jatos emitidos em direções opostas em eventos de oxigênio-oxigênio e neônio-neônio. O efeito foi maior nas colisões mais centrais, nas quais as partículas atravessam uma região maior de matéria quente.
• CMS: registrou uma produção menor de partículas carregadas de alto momento em colisões de oxigênio e neônio quando comparadas a referências de próton-próton. O experimento também encontrou evidências de supressão sequencial em diferentes estados do bottomônio, uma família de estados ligados envolvendo quarks bottom.
• LHCb: observou que mésons formados por um quark charme e um quark leve eram mais suprimidos no sistema maior de neônio do que no de oxigênio. O experimento também relatou evidências preliminares relacionadas à supressão do bottomônio em dados de próton-oxigênio e oxigênio-oxigênio.

Em conjunto, fluxo coletivo, perda de energia de partons e jatos, supressão de partículas de alto momento e supressão de estados ligados de quarks pesados formam um conjunto convergente de indicadores de comportamento semelhante ao QGP. Ainda assim, cada medição envolve efeitos alternativos que precisam ser modelados e testados. A conclusão adequada é que há evidências que convergem para a formação de matéria semelhante ao QGP em sistemas de íons leves — não uma imagem direta de uma gotícula de plasma.

O fluxo das partículas revelou a forma dos núcleos

A comparação entre os íons leves também transformou o LHC em uma espécie de experimento indireto de estrutura nuclear. O oxigênio-16 é aproximadamente esférico, enquanto o neônio-20 é deformado e costuma ser descrito como alongado, com formato de “pino de boliche”. A orientação de um núcleo de neônio deformado altera a forma da região criada quando dois núcleos colidem.

A ALICE comparou os padrões de fluxo das colisões de neônio-neônio com os das colisões de oxigênio-oxigênio. Ao analisar razões entre os dois sistemas, os pesquisadores reduzem a influência de efeitos compartilhados e tornam a comparação mais sensível às diferenças na geometria inicial dos núcleos e às flutuações em escalas menores. Os coeficientes de fluxo medidos e sua dependência da centralidade coincidiram com previsões hidrodinâmicas que incorporavam formas realistas para o oxigênio e o neônio.

Na prática, os detritos da colisão funcionaram como uma imagem indireta dos núcleos antes do impacto. Um núcleo de oxigênio aproximadamente esférico e um núcleo de neônio deformado deixam “impressões digitais” geométricas diferentes na expansão coletiva, embora sejam pequenos demais para serem observados diretamente em uma imagem.

Uma nova ferramenta para estudar a estrutura nuclear

Tradicionalmente, a deformação nuclear é estudada em baixas energias por meio de observáveis como bandas rotacionais, excitações vibracionais e transições eletromagnéticas. O programa de íons leves do LHC acrescenta uma abordagem de alta energia: acelerar os núcleos a velocidades próximas à da luz, fazê-los colidir e usar o fluxo das partículas finais para inferir a geometria inicial.

Esse método não substitui a espectroscopia de baixa energia; ele é complementar. Enquanto as técnicas tradicionais analisam propriedades específicas dos núcleos, as colisões ultrarrelativísticas investigam como a forma geral do núcleo — e possivelmente flutuações em escalas ainda menores — influencia a dinâmica de um sistema extremamente quente e em rápida expansão. Elas também oferecem um ambiente controlado para testar descrições hidrodinâmicas em sistemas pequenos, nos quais as escolhas de modelagem têm maior impacto.

O resultado aproxima duas áreas que muitas vezes são estudadas separadamente: a estrutura dos núcleos atômicos e as propriedades da matéria que existiu no Universo pouco depois do Big Bang.

O hélio-4 pode estabelecer o limite inferior?

Núcleos ainda mais leves, como o hélio-4, poderiam representar o próximo teste do limite de tamanho desses sistemas. Ao comparar o hélio com o oxigênio e o neônio, os pesquisadores poderiam procurar o ponto em que os sinais de fluxo coletivo e perda de energia ficam mais fracos ou desaparecem, à medida que diminuem o tamanho, o tempo de vida e a densidade de energia do meio.

Essas medições ajudariam a restringir as condições mínimas necessárias para o surgimento de um comportamento semelhante ao QGP. Também forneceriam outra geometria nuclear para testar modelos da estrutura dos núcleos e da matéria sob interação forte.

No entanto, as fontes disponíveis não confirmam uma campanha com hélio-4, nem apresentam cronograma ou sensibilidade prevista. Por isso, essa possibilidade deve ser tratada como uma direção futura de pesquisa, e não como um resultado anunciado.