Exótica matéria quark pode se originar em estrelas de nêutrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/11/2022

As estrelas de nêutrons são esferas quase perfeitas, com saliências de apenas uma fração de milímetro em um diâmetro de 10 km.
[Imagem: ESO/L. Calçada]

Matéria quark

Físicos da Alemanha e Coreia do Sul obtiveram a primeira confirmação da existência de um novo tipo de matéria, formada apenas por quarks.

A matéria quark, ou matéria QCD (sigla em inglês de cromodinâmica quântica), envolve estados da matéria nos quais quarks e glúons vencem a força que os mantém confinados nos núcleons (prótons ou nêutrons). E isso não é pouco, uma vez que significa vencer a força forte, que mantém coesos os núcleos dos átomos.

Esse rompimento exige condições extremas, envolvendo temperaturas e densidades extremamente altas, bilhões de vezes mais altas do que as que se consegue produzir hoje em laboratório.

Por isso, ao teorizar sobre a matéria quark, os físicos sempre voltaram seus olhares para as estrelas de nêutrons, que são os objetos mais densos do Universo, à exceção dos buracos negros. Formadas principalmente de nêutrons, essas estrelas extremas são responsáveis pela criação dos elementos mais pesados do Universo.

Então, em 2017, foram detectadas pela primeira vez ondas gravitacionais - pequenas ondulações no espaço-tempo - que tudo indica terem sido produzidas durante a colisão de duas estrelas de nêutrons.

Isso levantou a possibilidade de que a colisão de duas estrelas de nêutrons, com toda a sua densidade, mais a pressão e o calor gerados pelo choque, poderia criar as condições para a emergência da matéria de quarks.

Foi isto que se propuseram a verificar Tuna Demircik, Christian Ecker e Matti Jarvinen, da Universidade Goethe de Frankfurt e do Centro de Física Teórica de Pohang.

A fusão de duas estrelas de nêutrons produz as condições necessárias para emergência da matéria quark, ou matéria QCD.
[Imagem: Tuna Demircik et al. - 10.1103/PhysRevX.12.041012]

Modelo holográfico mais teoria das cordas

Os pesquisadores juntaram um modelo holográfico de física nuclear, que não é aplicável a densidades muito elevadas, com um modelo da teoria das cordas, para tentar descrever a transição da matéria comum, formada tipicamente por nêutrons no caso que eles estavam estudando, para a matéria quark.

"Nosso método usa uma relação matemática encontrada na teoria das cordas, ou seja, a correspondência entre buracos negros de cinco dimensões e matéria fortemente interativa, para descrever a transição de fase entre a matéria nuclear densa e a matéria quark," explicou Demircik.

Embora usar estes dois modelos represente uma forte simplificação do que deve ser o fenômeno real, o resultado mostrou um diagrama de fase QCD muito claro, confirmando que a fusão de duas estrelas de nêutrons cria as condições necessárias para que os quarks vençam a força forte, rompendo seu confinamento dentro dos nêutrons e formando a matéria quark livre.

Além de melhorar seu modelo, fundamentando melhor dados usados agora que são meras aproximações, os pesquisadores esperam poder comparar seus resultados com futuras ondas gravitacionais que sejam detectadas, a fim de obter mais informações sobre a matéria quark, seja em colisões de estrelas de nêutrons ou em colisões de uma estrela de nêutrons com um buraco negro.

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