‘Burbujas’ de ruptura de simetría en la sopa del quarks del RHIC

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Los datos sugieren que la simetría puede ‘fundirse’ junto a los protones y neutrones.

Científicos del Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC), un acelerador de partículas con una circunferencia de 3 kilómetros en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos, informa de las primeras pistas sobre unas profundas transformaciones de simetría en la sopa de quarks, antiquarks, y gluones producidas en las colisiones más energéticas del RHIC. En particular, los nuevos resultados, de los que se informa en la revista Physical Review Letters, sugieren que las “burbujas” formadas en el interior de esta sopa caliente pueden desobedecer internamente la conocida como “simetría espejo” que normalmente caracteriza las interacciones de quarks y gluones.


“Las colisiones de núcleos pesados en el RHIC casi a la velocidad de la luz están diseñadas para recrear, a pequeña escala, las condiciones de los inicios del universo. Estos nuevos resultados sugieren que el RHIC puede tener una oportunidad única de estudiar en el laboratorio algunas características cruciales de las burbujas de cambio de simetría que se especula que hayan desempeñado un importante papel en la evolución de los inicios del universo”, dice Steven Vigdor, Director Asociado del Laboratorio para Física Nuclear y de Partículas de Brookhaven, que supervisa la investigación en el RHIC.

Los físicos han predicho una gran probabilidad de encontrar tales burbujas, o regiones locales, con simetría “rota” a temperaturas extremas cerca de las transiciones de una fase de la materia a otra. De acuerdo con tales predicciones, la materia dentro de estas burbujas exhibiría distintas simetrías — o comportamientos bajo ciertas transformaciones simples del espacio, tiempo y tipos de partículas — que la materia de su alrededor. Además de las violaciones de simetría estudiadas en el RHIC, los científicos han propuesto que las burbujas análogas de cambio de simetría que se crearon incluso antes en el universo, ayudaron a establecer la preferencia de la materia sobre la antimateria en nuestro mundo.

Las colisiones más energéticas del RHIC crean el tipo de condiciones extremas que podrían ser justo las adecuadas para producir tales regiones de simetría alterada: Una temperatura de varios billones de grados Celsius, o unas 250 000 veces más caliente que el centro del Sol, y una transición a una nueva fase de la materia nuclear conocida como plasma de quark-gluón. Además, cuando los núcleos en colisión pasan cerca unos de otro, producen un campo magnético ultra-potente que falicita la detección de los efectos de simetría alterada.

Ahora, los primeros datos del detector STAR del RHIC apuntan a una violación en lo que se conoce como simetría espejo, o paridad. Esta regla de simetría sugiere que los eventos deberían suceder exactamente de la misma forma si se ven directamente o en un espejo, sin una dependencia direccional. Pero STAR ha observado una separación asimétrica de carga en las partículas que surgen de la mayor parte de las colisiones frontales del RHIC: Las observaciones sugieren que los quarks cargados positivamente pueden preferir emerger de forma paralela al campo magnético en un evento de colisión dado, mientras que los quarks negativamente cargados prefieren hacerlo en la dirección opuesta. Debido a que esta preferencia aparecería invertida si la situación se reflejase en un espejo, parece violar la simetría espejo.

“En todos los estudios previos de sistemas gobernados por la fuerza fuerte entre quarks y gluones, se ha encontrado hasta una precisión muy alta que los eventos y sus reflejos de espejo tienen lugar exactamente al mismo ritmo, sin dependencia direccional”, dijo Vigdor. “Por lo que esta observación de STAR es realmente intrigante”.

En el RHIC, las burbujas de violación de paridad se forman de manera aleatoria, posiblemente con una separación de carga orientada opuestamente en burbujas de posiciones distintas. En media a lo largo de muchos eventos no parecería haber violación de paridad, incluso aunque hubiese violaciones en cada evento. Aunque permitida por la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría subyacente que describe la fuerza nuclear fuerte, tal violación de paridad fuerte nunca ha sido detectada directamente.

“La clave para observar el efecto en las colisiones nucleares de alta energía es estudiar las correlaciones entre las partículas que surgen de las colisiones”, dice Nu Xu del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, portavoz de la colaboración STAR.

La teoría sugiere que las partículas con el mismo signo de carga eléctrica tenderían a ser emitidas en la misma dirección, ambas paralelas o antiparalelas al campo magnético que surge de la colisión, mientras que las partículas de signo contrario deberían emitirse en direcciones opuestas.

“Hemos observado una correlación entre las partículas cargadas emitiras del tipo predicho, con el grado de preferencia direccional aumentando conforme las colisiones varían de frontales a más laterales”, dice Xu.

Los datos de STAR también sugieren la ruptura local de otra forma de simetría, conocida como invarianza de carga-paridad, o CP. De acuerdo con este principio físico fundamental, cuando la energía se convierte en masa o viceversa de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2, debe crearse o aniquilarse un número igual de partículas y antipartículas cargadas opuestamente. Si no se hubiera roto la simetría CP en algún momento de la evolución del universo, las partículas y las antipartículas creadas en igual número en el Big Bang se hubiesen aniquilado entre sí, dejándonos sin materia para formar las estrellas, planetas y la gente que ahora puebla el mundo.

Aunque se han encontrado algunas pequeñas violaciones de la simetría CP en experimentos de laboratorio, esas violaciones son demasiado débiles para contar con la cantidad de materia restante en el universo actual. De la misma forma, los signos de una posible violación CP local en STAR no pueden explicar la predominancia de materia en el mundo actual, pero pueden ofrecer una visión de cómo tienen lugar tales violaciones de simetría.

“Las características observadas en STAR son consistentes cualitativamente con las predicciones de dominios de ruptura de simetría en la materia de quark caliente”, dice Vigdor. “La confirmación de este efecto y comprender cómo se forman estos dominios de ruptura de simetría en el RHIC puede ayudar a los científicos a comprender algunos de los misterios más fundamentales del universo, y será tema de intenso estudio en futuros experimentos del RHIC”.

“Por ejemplo”, dice, “querremos ver si la señal desaparece, como se predice, en energías de colisión más bajas, donde la materia generada no está lo bastante caliente para hacer la transición a la fase de plasma de quark-gluón. Estos futuros estudios comprobarán en detalle este trabajo inicial, probarán posibles explicaciones más mundanas para los efectos observados, y explorarán un rango mayor de fenómenos relacionados”.


Fecha Original: 15 de febrero de 2010
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