Esse artigo foi escrito em 2013 para ser publicado no jornal do CEFISMA de setembro daquele ano. Nunca soube se foi publicado.
A área de pesquisa em íons-pesados relativísticos constitui uma das fronteiras do conhecimento na física nuclear. Colidindo núcleos pesados em energias ultra relativísticas, como no LHC, onde dois núcleos de chumbo colidem a incríveis 208 x 2,76 TeV de energia no centro de massa, deposita-se uma quantidade enorme de energia em um volume espacial extremamente pequeno, excitando o vácuo e criando milhares de quarks, antiquarks, glúons e outras partículas fundamentais. Há fortes indícios de que este volume evolui rapidamente para um sistema com propriedades coletivas muito evidentes e em aparente equilíbrio (local) termodinâmico.
As propriedades físicas do meio lembram a de um líquido de baixíssima viscosidade, a menor já observada pelo homem. A temperatura é alta o suficiente (1012-13 K) para que a matéria hadrônica sofra uma transição de fase para um estado no qual quarks e glúons (partons) encontrem-se desconfiados, populando regiões no diagrama de fase da matéria (figura 1) nunca antes exploradas. O estado da matéria obtido nesta transição é chamado de plasma de quarks e glúons. A densidade bariônica muito próxima de zero (igual quantidade de partículas e antipartículas), de modo que a matéria esteja em condições muito similares àquelas do início da evolução do Universo, cerca de microssegundos após o Big-Bang.
O estudo das propriedades deste meio, além de servir para entender as propriedades fundamentais da matéria, do confinamento de cargas de cor (que tem importância ímpar na determinação da massa de todas as coisas do nosso dia-a-dia), permite explorar situações similares àquelas do Universo primordial e, por conseguinte, ajuda-nos a entender melhor como ele foi formado e evoluiu nos seus instantes iniciais. Por conta da rápida expansão deste plasma, o mesmo se mantém por um tempo da ordem de 10-22-23 s, esfriando rapidamente, transitando de volta para a matéria hadrônica comum. A caracterização das propriedades termodinâmicas deste plasma constitui um enorme desafio experimental.
A medida de temperatura do plasma é crucial para definir as condições iniciais da evolução deste plasma. Como medir a temperatura de um sistema extremamente quente, microscópico e que esfria muito rapidamente? No anos 80, Matsui e Satz [1] previram que estados ligados de quarks pesados, por conta do efeito de blindagem de cor, não conseguiriam se manter ligados no plasma. Hoje em dia, a medida de estados de botomônio (estados ligados de quarks bottom e anti-bottom) é uma das formas de investigar a temperatura deste plasma. Uma abordagem simples para descrever estados ligados de quarks e antiquarks pesados consiste na solução da equação de Schrödinger para um sistema de duas partículas de mesma massa em um potencial de interação (chamado de Potencial de Cornell [2]) do tipo:
no qual os diferentes estados de energia consistem nos diferentes estados de massa do sistema. No caso do botomônio, três estados bem conhecidos (upsilon) são utilizados normalmente: o ϒ(1S), ϒ(2S) e ϒ(3S), em ordem crescente de massa, próximas de 10 GeV/c2. A forma do potencial de Cornell sugere que, quanto maior a massa, maior o raio médio do estado e, por conseguinte, mais sujeito ao fenômeno de blindagem de cor. Sendo assim, o estado (3S) tem maior probabilidade de se dissolver que os demais. Como o efeito da blindagem de cor está diretamente relacionado à temperatura do meio, estados diferentes derretem em temperaturas diferentes, sendo o estado (3S) o primeiro a ser derretido e o estado (1S), o mais resistente. Sendo assim, o quanto cada estado é dissociado, em relação à colisões próton-próton, onde não se espera a formação do plasma, constitui uma medida da temperatura do sistema. Isto é feito através da medida do fator de modificação nuclear (RAA), que é a razão entre a produção de partículas em colisões Pb+Pb e a seção de choque de produção destas mesmas partículas em colisões p+p, normalizadas pelo fato de existirem muito mais nucleons participantes em colisões Pb+Pb do que em p+p. Se colisões Pb+Pb forem fisicamente idênticas a colisões p-p (a menos desta normalização de escala), espera-se que RAA = 1. RAA menor que 1 indica a supressão na produção de partículas em colisões Pb+Pb. O experimento CMS [3] mediu estes estados e mostrou forte supressão do estado (2S) do upsilon e supressão moderada do estado (1S), conforme mostrado na figura 2. Quanto maior o valor de Npart, nesta figura, menor é o parâmetro de impacto da colisão entre dois núcleos de chumbo, favorecendo temperaturas mais elevadas. Npart próximo de zero representam colisões nas quais os núcleos de chumbo “raspam” um no outro enquanto Npart próximo de 400 indicam colisões frontais entre os núcleos de chumbo. Relacionar o nível de supressão observado com um valor de temperatura não é uma tarefa simples e exige estudos teóricos profundos e ainda é objeto de pesquisa na área.
Outra forma de medir a temperatura do meio se dá através da medida da radiação (fótons) emitida por este meio. A velha ideia de que um corpo aquecido emite radiação, e que a forma do espectro emitido depende da temperatura do corpo pode ser aplicado em colisões no LHC. Há diversas fontes de fótons em colisões envolvendo núcleos de chumbo no LHC, sendo as mais comuns os fótons provenientes de decaimentos de hádrons, como o 
. Contudo, o experimento ALICE é capaz de separar estas diversas fontes e isolar aqueles fótons originados de processos físicos fundamentais, que chamamos de fótons diretos. Na figura 3 mostramos o espectro de fótons diretos medido no experimento ALICE. Há uma componente, em alto momento, oriundo de processos perturbativos da QCD, tais como espalhamento Compton entre quarks e glúons e processos de aniquilação de quarks e antiquarks, além da fragmentação de jatos. Contudo, em baixos momentos, percebe-se um excesso que corresponde aos fótons térmicos irradiados do meio. Um ajuste exponencial desta parte, resulta em uma medida da temperatura tal que:
TLHC = 304 + 51 MeV = (3,52 + 0.59) x 1012 K
Cálculos de QCD indicam que a temperatura na qual a matéria hadrônica comum sofre a transição de fase para o plasma de quarks e glúons deva ser próxima a 150 MeV. A temperatura obtida a partir do ajuste de fótons térmicos no experimento ALICE é cerca de duas vezes maior que a prevista pela QCD. É também a maior temperatura já criada e medida em laboratório pelo ser humano, cerca de 50% maior do que as obtidas no RHIC [5]. Contudo, a emissão de radiação térmica é um processo que se dá durante toda a evolução do sistema físico, até mesmo durante a fase hadrônica. Neste caso, o valor medido no experimento ALICE consiste em um valor médio de temperatura sobre toda a evolução do sistema. Extrapolações para o instante de tempo inicial, utilizando-se modelos de hidrodinâmica relativística [6], sugerem que a temperatura inicial possa ser até um fator dois a três maior que a temperatura média medida.
A medida da temperatura do plasma de quarks e glúons é importante para caracterizar o sistema formado em colisões com íons-pesados relativísticos e é um ingrediente importante no cálculo da evolução hidrodinâmica deste sistema, importante na descrição de diversos fenômenos observados nestas colisões. Estas medidas constituem enormes desafios, experimentais e teóricos, e motivam uma enorme comunidade de físicos. Há muito o que ser desenvolvido e explorado e o LHC, por conta de suas características únicas, tanto na parte de aceleradores como nas peculiaridades de seus experimentos, é o ambiente ideal para este empreendimento.
Referências
[1] T. Matsui and H. Satz, Phys. Lett. B 178, 416 (1986)
[2] E. Eichten et al., Phys. Rev. D 21, 203 (1980)
[3] S. Chatrchyan et al. CMS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 109, 222301 (2012)
[4] M. Wilde for the ALICE Collaboration, arXiv:1210.5958v2 (2012)
[5] A. Adare et al. PHENIX Collaboration, Phys. Rev. Lett. 104, 132301 (2010)
[6] D. d’Enterria and D. Peressounko, Eur. Phys. J. C 46, 451 (2006)
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