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La ofinica de Física Nuclear del Departamento de Energía de los EEUU nombró hace poco a la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley para dirigir una colaboración entre nueve instituciones para investigar “Tomografía cuantitativa electromagnética y de chorro de las fases extremas de la 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 estado de la materia extraordinariamente denso y caliente conocido como plasma de quarks-gluones. El plasma de quarks-gluones llenaba el universo unas millonésimas de segundo luego del Big Bang, pero desapareció en un isntante, condensándose en protones, neutrones y otras partículas, de las que nació el universo actual.

Unos 13.700 millones de años después, los experimentadores han recreado el plasma de quarks-gluones localmente, utilizando el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) del Laboratorio Nacional Brookhaven. Las primeras colisiones de iones pesados se hicieron en el RHIC en el 2000, pero la confirmación de la existencia del plasma de quarks-gluones en estos sucesos 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 formar un protón o un neutrón; como portadores de la carga de color, un aspecto de la interacción nuclear fuerte, literalmente los gluones unen a los quarks entre sí.

Bajo condiciones normales ni los quarks ni los gluones jamás están libres. Cuanto más se los aparta, mayor es la fuerza entre ellos. Debido a que la masa y la energía son intercambiables, como se describe en la ecuación de Einstein E=Mc2, la energía que se necesitaría para separarlos pasaría a crear nuevos quarks enlazados.

El RHIC fue diseñado para hacer chocar núcleos 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 algo normal. En las colisiones florecen densas y calientes bolas de fuego, formando un plasma en el que ni los quarks ni los gluones están ligados entre sí; y en cambio se mueven independientemente, casi en total libertad.

Los resultados del RHIC trajeron algunas sorpresas. A diferencia de los plasmas más familiares, en los que las partículas eléctricamente cargadas están separadas unas de otras, el plasma de quarks-gluones consiste de cargas de color. El plasma de quarks-gluones 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 quarks-gluones que se produce en las colisiones de iones pesados se comporta como un fluido perfecto, con muy poca viscosidad”, dice Xin-Nian Wang, científico senior en el Grupo de Teoría Nuclear de la División de Ciencia Nuclear (NSD) del Laboratorio Berkeley. Wang es el co-vocero y director del proyecto de la colaboración JET.

La fluidez perfecta surge debido a que los constituyentes del plasma están fuertemente acoplados, lo que causa que ellos fluyan en forma colectiva. Y el plasma de quarks-gluones fluye libremente, como un aceite de motor de baja viscosidad en un motor caliente; con mucha más libertad, de hecho, dice Wang, debido a que su viscosidad es “un orden de magnitud menor que la del agua”.

Otro descubrimiento del RHIC que se había sido preanuciado pero que nunca antes se había observado es el “extinción del chorro”. Cuando las partículas individuales choican en un vacío —como cuando los protones colisionan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, por ejemplo— los restos a menudo vuelan hacia afuera en un par de chorros; y las partículas como los piones o kaones que se detectan en un lado del detector tienen correlación, 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 empujar el chorro a través de esta materia nuclear de interacción fuerte, más energía pierde. Un chorro de un par opuesto puede que no escape de la bola de fuego”.

La energía del chorro atrapado tiene que ir a alguna parte. Las partículas energéticas que fueron producidas al inicio se desintegran en unas más blandas que interactúan aún más con el medio, produciendo ondas de choque en el fluido. Como el estallido sónico de un avión a chorro “rompiendo la barrera del sonido” —al volar más rápido que la velocidad del sonido en el aire— la onda de choque de un chorro que fue absorbido por el plasma de quarks-gluones se puede utilizar 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 formados de dos quarks; y protones y neutrones de tres quarks) mientras el plasma se enfría; esto también afecta cómo se propagan los chorros.

Midiendo el plasma

A los chorros se les llama “sondas duras”. Aunque son por naturaleza de interactuar 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 de transferir energía y momento al medio cuando se mueve a través de la bola de fuego se conoce como coeficiente de rransporte del chorro (jet transport coefficient, JTC), que está relacionado con la viscosidad del plasma: a menor viscosidad — y la viscosidad en el plasma de quarks-gluones es realmente pequeña— mayor es el JTC.

No es sólo el grado de extinción del chorro, un valor que surge de los datos de millones de eventos de colisiones, sino también la orientación, direccionalidad y composición de los chorros tienen mucho que ver con lo que está pasando dentro de la bola de fuego y, por lo tanto, con las propiedades del plasma de quarks-gluones.

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

La tarea de la colaboración JET consiste en usar las evidencias existentes de los resultados del RHIC para calcular en detalle qué es lo que está pasando en realidad dentro del fuertemente interactivo plasma de quarks-gluones, el tipo de imagen tridimensional de un interior que de otra forma es invisible, lo que se conoce como tomografía, como en una familar TAC (Tomografía Axial Computerizada).

Tres tipos de fenómenos son críticos para completar la tarea: la :colectividad, para determinar la viscosidad del medio; los 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 distintos códigos para modelar los tipos de interacciones y diferentes propiedades, y los resultados no siempre van a concordar.

En la colaboración JET participan representantes de grandes instituciones que han realizado contribuciones significativas al estudio de la materia densa y caliente en colisiones de iones pesados, a menudo aproximándose a la cuestión desde distintos puntos de vista. Trabajando juntos, surgirá una descripción consistente del plasma de quarks-gluones.

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

Para más datos sobre la colaboración JET, vea la nota al pie del artículo original.

Fuente: Berkeley Lab. Aportado por Eduardo J. Carletti

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