Volando hacia el plasma de quark-gluón

Colisiones de núcleos de oro
Núcleos de oro en colisión en el experimento STAR del RHIC, creando una bola de fuego en la cual el plasma de quark-gluón aparece brevemente. Sus propiedades se reconstruyen a partir del seguimiento de las partículas capturadas en la Cámara de Proyección Temporal de STAR

La Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía nombró recientemente a la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley para liderar una colaboración entre nueve instituciones que investigase “El Chorro Cuantitativo y la Tomografía Electromagnética de las Fases Extremas de Materia en Colisiones de Iones Pesados” – JET para abreviar.

La colaboración JET es un esfuerzo teórico de cinco años para comprender las propiedades de este extraordinariamente denso y caliente estado de la materia conocido como plasma de quark-gluón. El plasma de quark-gluón llenó el universo unas millonésimas de segundo tras el Big Bang pero instantáneamente desapareció, condensándose en protones, neutrones y otras partículas a partir de las cuales surgió el universo actual.

Unos 13 700 millones de años más tarde, los experimentadores han recreado el plasma de quark-gluón en la Tierra, usando el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Las primeras colisiones de iones pesados tuvieron lugar en el RHIC en 2000, pero la confirmación del plasma de quark-gluón en estos eventos llevó algunos años más de recopilación y análisis de datos.

Liberando los quarks

Los quarks aparecen en tres “colores” distintos, y se necesitan tres quarks para construir un protón o un neutrón; como portadores de la carga de color, un aspecto de la interacción nuclear fuerte, los gluones literalmente unen a los quarks.

Bajo condiciones comunes ni los quarks ni los gluones están libres. Cuanto más se les separa, mayor es la fuerza entre ellos. Debido a que masa y energía son intercambiables, como se describe en la ecuación de Einstein E=Mc2, finalmente la energía que sería necesaria para separarlos se iría a crear nuevos enlaces de quarks.

El RHIC fue diseñado para colisionar núcleos pesados (tan pesados como el oro, cuyo núcleo consta de 79 protones y 118 neutrones) a energías tan altas que durante las colisiones casi a la velocidad de la luz, las condiciones dejan de ser como las comunes. Se generan densas y calientes bolas de fuego en las colisiones, formando un plasma en el cual ni los quarks ni los gluones están ligados; en lugar de esto se mueven independientemente casi con total libertad.

Los resultados del RHIC tuvieron algunas sorpresas. Al contrario que en los plasmas más familiares, en los que las partículas eléctricamente cargadas están separadas unas de otras, el plasma de quark-gluón consta de cargas de color. El plasma de quark-gluón producido en el RHIC resultó ser más un líquido que un gas.

“Uno de los principales descubrimientos en el RHIC es que el plasma de quark-gluón producido en las colisiones de iones pesados se comportaba como un fluido perfecto con muy poca viscosidad”, dice Xin-Nian Wang, científico senior en el Grupo de Teoría Nuclear en la División de Ciencia Nuclear (NSD) del Laboratorio Berkeley. Wang es el co-portavoz y director del proyecto de la colaboración JET.

La fluidez perfecta surge debido a que los constituyentes del plasma están fuertemente acoplados, provocando que fluyan de forma colectiva. Y el plasma de quark-gluón fluye libremente, como un aceite de motor de baja viscosidad en un motor caliente – mucho más libremente, de hecho, dice Wang, debido a que su viscosidad es “un orden de magnitud menor que la del agua”.

Otro descubrimiento del RHIC predicho pero nunca antes observado es el “apagado del chorro”. Cuando colisionan las partículas individuales en un vacío – como cuando los protones colisionan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, por ejemplo – los restos a menudo salen volando en un par de chorros; partículas como piones o kaones detectadas en un lado del detector son correladas, en términos de momento total y energía, con las partículas detectadas en el lado opuesto.

“Pero cuando colisionan iones pesados, producen un medio increíblemente denso, de 30 a 50 veces más denso que un núcleo corriente”, dice Wang. “Cuanto más lejos tiene que ir el chorro a través de esta materia nuclear de interacción fuerte, más energía pierde. Un chorro de los pares consecutivos puede que no escape a la bola de fuego”.

La energía del chorro atrapado tiene que ir a alguna parte. Las partículas energéticas que se producen inicialmente decaen a unas más suaves que interactúan aún más con el medio, produciendo ondas de choque en el fluido. Como el estallido sónico de un avión a propulsión “rompiendo la barrera del sonido” – volando más rápido que la velocidad del aire – la onda de choque de un chorro absorbido por el plasma de quark-gluón pueden usarse para medir la velocidad del sonido en el plasma.

Los restos de las colisiones de iones pesados indican que los quarks libres y los gluones se recombinan en hadrones (que incluyen piones y kaones hechos de dos quarks; y protones y neutrones hechos de tres quarks) mientras que el plasma se enfría; esto también afecta a cómo se propaga el chorro.

Estudiando el plasma

Se conoce a los chorros como “sondas duras”. Aunque son de naturaleza de interacción fuerte, se mueven tan rápido y con tanta energía que su interacción con los quarks y gluones que lo rodean en el plasma es, en realidad, relativamente débil. La capacidad de un chorro para transferir energía y momento al medio cuando se mueve a través de la bola de fuego es conocido como el Coeficiente de Transporte del Chorro (JTC), el cual está relacionado con la viscosidad del plasma: a menos viscosidad – y la viscosidad en el plasma de quark-gluón es realmente pequeña – mayor es el JTC.

No es sólo el grado de apagamiento del chorro, una cifra que surge de los datos procedentes de millones de eventos de colisiones, sino que la orientación, direccionalidad y composición de los chorros tienen mucho que ver con lo que está pasando en el interior de la bola de fuego, y por tanto, con las propiedades del plasma de quark-gluón.

Otro tipo de sonda, la sonda electromagnética, es tan débil que virtualmente no tiene interacción con el medio en absoluto. Las sondas electromagnéticas aparecen cuando un chorro de partículas de una dirección está equilibrado no por otro chorro sino por un único fotón muy energético.

La tarea de la Colaboración JET es usar las pruebas existentes de los resultados del RHIC para calcular en detalle lo que está pasando en realidad dentro del plasma de quark-gluón de interacción fuerte – el tipo de imagen tridimensional de un interior de otra forma invisible de lo que se conoce como tomografía, como en una Tomografía Axial Computerizada, el conocido TAC.

Tres de estos fenómenos son críticos para completar la tarea: colectividad, para determinar la viscosidad del medio; chorros, para determinar el coeficiente de transporte del chorro; y la excitación del medio, para determinar la velocidad del sonido en su interior.

Se requerirá más de un tipo de cálculo. Deberán usarse distintas suposiciones y distinto código para modelar los tipos de interacciones y distintas propiedades, y los resultados no siempre concuerdan. La Colaboración JET incluye a representantes de grandes instituciones que han realizado contribuciones significativas al estudio de la materia densa y caliente de las colisiones de iones pesados, a menudo aproximándose a la cuestión desde distintos puntos de vista. Trabajando juntos, surgirá una descripción consistente del plasma de quark-gluón.

Una vez estén completos los cálculos, habiendo tenido en cuenta todo el espectro energético de partículas que surgen a partir de millones de bolas de fuego evanescentes, la nueva descripción teórica de este estado único del joven universo se probará contra las observaciones del recientemente mejorado RHIC y en experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. (El LHC colisiona protones durante la mayor parte del año, pero durante un mes cada año colisionará iones pesados en forma de núcleos de plomo).


Fecha Original: 14 de enero de 2010
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Comments (7)

  1. Gerardo Perez Juaristi

    Muy interesante , ya que la sopa de quarks y gluones es lo que resulto despues del periodo de inflacion cosmica que aun esta pendiente de comprobar en su totalidad
    y lo llaman el “universo liquido”a este periodo que es antes del confinamiento de quarks

  2. el5

    Hay una duda que me ha surgido al leer el articulo que se que no tiene mucho que ver pero

    Cuando las particulas estan dando vueltas por un tubo de un acelerador se supone que en ese tubo hay vacio, pero puede hacerse el vacio realmente? no es posible que aparezcan particulas virtuales contra las que podria chocar hipoteticamente el haz ?¿

  3. NABOOOS

    cómo es que un nucleo de oro tiene muchos más neutrones que protones?

  4. Ignacio

    @el5 Efectivamente es imposible generar vacio perfecto, y el mismo vacio genera particlas virtuales, pero, la probabilidad de una colision es baja, ademas que como son chorros de particulas, que 1 colisione, no influye

    @NABOOOS La configuracion que minimiza la energia en los atomos es la de un neutrone por cada proton. En nucleos mas pesados, la repulsion electromagnetica va siendo mas fuerte, por lo que se estabilizan con mas neutrones en el nucleo.

  5. Sagutxo

    Esta noticia es muy interesante, tanto para la Física de Partículas como para la Cosmología. Estudiar el plasma de gluones y quarks, y su condensación en hadrones al enfriarse, nos puede ayudar a encontrar respuestas a algunas cuestiones fundamentales. Lo que me sorprende es el poco interés que tienen estas noticias entre los lectores del blog, a juzgar por los escasos comentarios que suscitan estas noticias. Otras noticias mucho más especulativas generan decenas de acalorados comentarios. Una pena.

    SalU2

  6. [...] científicos creen que tal sopa, conocida como plasma de quark-gluón, llenó el universo unas millonésimas de segundo después de que se originase hace 13 700 millones [...]

  7. [...] mando a ese link, pues aunque habla de otro laboratorio, en el que lo que chocan son átomos de oro y no protones, [...]

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