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plasma de quarks y gluones

Diagrama de fases de QCD. Adaptado del original realizado por RS Bhalerao. [ 1 ] El plasma de quarks y gluones ( QGP o sopa de quarks [ 2 ] ) es un conjunto localizado e interac...

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Diagrama de fases de QCD. Adaptado del original realizado por RS Bhalerao. [ 1 ]

El plasma de quarks y gluones ( QGP o sopa de quarks [ 2 ] ) es un conjunto localizado e interactuante de quarks y gluones en equilibrio químico y equilibrio térmico local . El término plasma indica que se permiten cargas de color libres. En la materia ordinaria, los quarks están confinados ; en el QGP, los quarks están desconfinados . El plasma de quarks y gluones (QGP) se produce a densidades de energía lo suficientemente altas como para fundir los protones y neutrones que componen los núcleos de la materia ordinaria. Es un líquido de muy baja viscosidad compuesto por las partículas elementales, quarks y gluones, un estado de la materia nuevo para la física cuando fue descubierto. [ 3 ] [ 4 ]

El plasma de quarks y gluones se estudia para comprender las características del universo aproximadamente 20  μs después del Big Bang , cuando el universo era extremadamente caliente y denso. Los grupos experimentales utilizan haces ultrarrelativistas de iones que colisionan con otros iones o protones para crear este plasma en aceleradores de partículas . [ 5 ]

Historia

Las teorías que predecían la existencia de plasma de quarks y gluones se desarrollaron a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980. [ 6 ] El descubrimiento del confinamiento de color y las propiedades de libertad asintótica de la cromodinámica cuántica llevaron a la comprensión de que los quarks sufrirían una transición de fase a alta densidad. [ 7 ] Utilizando una analogía con el plasma electromagnético , en 1978 E V. Shuryak utilizó el término "plasma hadrónico" para la materia mucho más densa que los núcleos atómicos, materia en la que los hadrones se fusionan y los quarks actúan colectivamente. [ 8 ] En su siguiente artículo utilizó "plasma de quarks y gluones", un nombre que se mantuvo. [ 7 ] : 1125 [ 9 ]

En 2000, el CERN emitió un comunicado de prensa [ 10 ] informando sobre evidencia de un nuevo estado de la materia basado en estudios de colisiones de iones pesados ​​Pb-Pb. [ 11 ] [ 12 ] La evidencia era consistente con "muchas de las características del plasma de quarks y gluones predicho teóricamente". [ 3 ]

Un equipo rival del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) calificó los resultados del CERN como "circunstanciales" [ 13 ] y sugirió que los experimentos aportaron poca información sobre las propiedades de este nuevo estado. [ 14 ] Una serie de estudios de colisiones Au-Au del RHIC, publicados en 2005, mostraron que las colisiones producen algo parecido a un líquido, en contraste con los primeros modelos teóricos. [ 15 ]

Función en el modelo estándar

La QCD es una parte de la teoría moderna de la física de partículas llamada Modelo Estándar . Otras partes de esta teoría tratan sobre las interacciones electrodébiles y los neutrinos . La teoría de la electrodinámica se ha probado y se ha encontrado correcta con una precisión de unas pocas partes en mil millones. La teoría de las interacciones débiles se ha probado y se ha encontrado correcta con una precisión de unas pocas partes en mil. Las formas perturbativas de la QCD se han probado con una precisión de unos pocos por ciento. [ 16 ] Los modelos perturbativos suponen cambios relativamente pequeños respecto al estado fundamental, es decir, temperaturas y densidades relativamente bajas, lo que simplifica los cálculos a costa de la generalidad. Por el contrario, las formas no perturbativas de la QCD apenas se han probado. El estudio del QGP, que tiene tanto una temperatura como una densidad elevadas, forma parte de este esfuerzo por consolidar la gran teoría de la física de partículas.

El estudio del plasma de quarks y gluones (QGP) también sirve como campo de pruebas para la teoría de campos a temperatura finita , una rama de la física teórica que busca comprender la física de partículas en condiciones de alta temperatura. Estos estudios son importantes para comprender la evolución temprana de nuestro universo: los primeros cien microsegundos aproximadamente. Son cruciales para los objetivos físicos de una nueva generación de observaciones del universo ( WMAP y sus sucesores). Asimismo, son relevantes para las teorías de la gran unificación , que buscan unificar las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza (excluyendo la gravedad).

Aparición

El modelo aceptado de la formación del Universo establece que esta tuvo lugar como resultado del Big Bang . En este modelo, en el intervalo de tiempo de 10⁻¹⁰ a 10⁻⁶ s después del Big Bang, la materia existía en forma de plasma de quarks y gluones. Es posible reproducir la densidad y la temperatura de la materia existente en ese momento en condiciones de laboratorio para estudiar las características del Universo primitivo. Hasta ahora, la única posibilidad es la colisión de dos núcleos atómicos pesados ​​acelerados a energías superiores a cien GeV. Utilizando el resultado de una colisión frontal en un volumen aproximadamente igual al del núcleo atómico, es posible modelar la densidad y la temperatura que existían en los primeros instantes de la vida del Universo.

Relación con el plasma electromagnético

Un plasma es materia en la que las cargas se apantallan debido a la presencia de otras cargas móviles. Por ejemplo: la ley de Coulomb se suprime por el apantallamiento para producir una carga dependiente de la distancia, Q→Qmi−r/α{\displaystyle Q\rightarrow Qe^{-r/\alpha }}Es decir, la carga Q se reduce exponencialmente con la distancia dividida por una longitud de apantallamiento α. En un QGP, la carga de color de los quarks y gluones está apantallada. El QGP tiene otras analogías con un plasma normal. También hay diferencias porque la carga de color no es abeliana , mientras que la carga eléctrica sí lo es. Fuera de un volumen finito de QGP, el campo eléctrico de color no está apantallado, por lo que un volumen de QGP debe seguir siendo neutro en color. Por lo tanto, al igual que un núcleo, tendrá una carga eléctrica entera.

Debido a las altísimas energías involucradas, los pares quark-antiquark se producen mediante la generación de pares , por lo que el plasma de quarks y gluones (QGP) es una mezcla aproximadamente equitativa de quarks y antiquarks de diversos sabores, con solo un ligero exceso de quarks. Esta propiedad no es una característica general de los plasmas convencionales, que pueden ser demasiado fríos para la generación de pares (véase, sin embargo, la inestabilidad de pares en las supernovas ).

Teoría

Una consecuencia de esta diferencia es que la carga de color es demasiado grande para los cálculos perturbativos que son el pilar de la QED. Como resultado, las principales herramientas teóricas para explorar la teoría del QGP son la teoría de gauge en la red . [ 17 ] [ 18 ] La temperatura de transición (aproximadamenteLa energía de 175 MeV  fue predicha inicialmente por la teoría de gauge en la red. Desde entonces, esta teoría se ha utilizado para predecir muchas otras propiedades de este tipo de materia. La conjetura de correspondencia AdS/CFT podría aportar información valiosa sobre el plasma de quarks y gluones (QGP); además, el objetivo final de la correspondencia fluido-gravedad es comprender el QGP. Se cree que el QGP es una fase de la cromodinámica cuántica (QCD) completamente termalizada localmente y, por lo tanto, adecuada para una descripción fluidodinámica eficaz.

Producción

La producción de QGP en el laboratorio se logra mediante la colisión de núcleos atómicos pesados ​​(llamados iones pesados, ya que en un acelerador los átomos se ionizan) a energía relativista en la que la materia se calienta muy por encima de la temperatura de Hagedorn T H = 150 MeV por partícula, lo que equivale a una temperatura que supera los 1,66 billones de K. Esto se puede lograr mediante la colisión de dos núcleos grandes a alta energía (nótese que(175  MeV no es la energía del haz en colisión). Se han utilizado núcleos de plomo y oro para tales colisiones en el SPS del CERN y el RHIC del BNL , respectivamente. Los núcleos se aceleran a velocidades ultrarrelativistas ( contrayendo su longitud ) y se dirigen uno hacia el otro, creando una "bola de fuego" en el raro caso de una colisión. La simulación hidrodinámica predice que esta bola de fuego se expandirá bajo su propia presión y se enfriará mientras se expande. Al estudiar cuidadosamente el flujo esférico y elíptico , los experimentadores ponen a prueba la teoría.

Herramientas de diagnóstico

El plasma de quarks y gluones se produce en colisiones de iones pesados ​​relativistas. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

Las clases importantes de observaciones experimentales son:

Propiedades esperadas

Termodinámica

La temperatura de transición de la fase hadrónica normal a la fase QGP es aproximadamente156  MeV . [ 23 ] Los fenómenos involucrados corresponden a una densidad de energía de un poco menos de1 GeV /fm³ .  Para la materia relativista , la presión y la temperatura no son variables independientes, por lo que la ecuación de estado es una relación entre la densidad de energía y la presión. Esto se ha descubierto mediante cálculos de retículo y se ha comparado con la teoría de perturbaciones y la teoría de cuerdas . Este tema sigue siendo objeto de investigación activa. Actualmente se están calculando funciones de respuesta como el calor específico y diversas susceptibilidades al número de quarks.

Fluir

El descubrimiento del líquido perfecto fue un punto de inflexión en la física. Los experimentos en RHIC han revelado una gran cantidad de información sobre esta sustancia extraordinaria, que ahora sabemos que es un QGP. [ 24 ] Se sabe que la materia nuclear a "temperatura ambiente" se comporta como un superfluido . Cuando se calienta, el fluido nuclear se evapora y se convierte en un gas diluido de nucleones y, al calentarse aún más, en un gas de bariones y mesones (hadrones). A la temperatura crítica, T H , los hadrones se funden y el gas vuelve a convertirse en líquido. Los experimentos de RHIC han demostrado que este es el líquido más perfecto jamás observado en cualquier experimento de laboratorio a cualquier escala. La nueva fase de la materia, que consiste en hadrones disueltos, exhibe menos resistencia al flujo que cualquier otra sustancia conocida. Los experimentos en RHIC ya en 2005 demostraron que el Universo en sus inicios estaba uniformemente lleno de este tipo de material —un superlíquido— que una vez que el Universo se enfrió por debajo de T H se evaporó en un gas de hadrones. Las mediciones detalladas muestran que este líquido es un plasma de quarks y gluones donde los quarks, antiquarks y gluones fluyen independientemente. [ 25 ]

Representación esquemática de la región de interacción formada en los primeros instantes tras la colisión de iones pesados ​​de alta energía en el acelerador. [ 26 ]

En resumen, un plasma de quarks y gluones fluye como una gota de líquido, y debido a que no es "transparente" con respecto a los quarks, puede atenuar los chorros emitidos por colisiones. Además, una vez formada, una esfera de plasma de quarks y gluones, como cualquier objeto caliente, transfiere calor internamente por radiación. Sin embargo, a diferencia de los objetos cotidianos, hay suficiente energía disponible para que los gluones (partículas que median la fuerza fuerte ) colisionen y produzcan un exceso de quarks extraños pesados ​​(es decir, de alta energía ) . En cambio, si el plasma de quarks y gluones no existiera y hubiera una colisión pura, la misma energía se convertiría en una mezcla fuera del equilibrio que contendría quarks aún más pesados, como quarks encanto o quarks fondo . [ 26 ] [ 27 ]

La ecuación de estado es una entrada importante en las ecuaciones de flujo. La velocidad del sonido (velocidad de las oscilaciones de la densidad del QGP) se está investigando actualmente en cálculos de red. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] El camino libre medio de los quarks y gluones se ha calculado utilizando la teoría de perturbaciones , así como la teoría de cuerdas . Los cálculos de red han sido más lentos en este caso, aunque se han concluido los primeros cálculos de coeficientes de transporte . [ 31 ] [ 32 ] Estos indican que el tiempo libre medio de los quarks y gluones en el QGP puede ser comparable al espaciado promedio entre partículas: por lo tanto, el QGP es un líquido en lo que respecta a sus propiedades de flujo. Este es un campo de investigación muy activo, y estas conclusiones pueden evolucionar rápidamente. La incorporación de fenómenos disipativos en la hidrodinámica es otra área de investigación activa. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Efecto de extinción del chorro

A finales de la década de 1970 se hicieron predicciones detalladas sobre la producción de chorros en el Super Sincrotrón de Protones y Antiprotones del CERN . [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] UA2 observó la primera evidencia de producción de chorros en colisiones de hadrones en 1981, [ 40 ] que poco después fue confirmada por UA1 . [ 41 ]

El tema fue revivido posteriormente en RHIC. Uno de los efectos físicos más llamativos obtenidos a energías de RHIC es el efecto de extinción de chorros. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] En la primera etapa de interacción de núcleos relativistas en colisión, los partones de los núcleos en colisión dan lugar a partones secundarios con un gran impulso transversal ≥  3–6  GeV/s. Al pasar a través de un plasma comprimido altamente calentado, los partones pierden energía. La magnitud de la pérdida de energía por el partón depende de las propiedades del plasma de quarks y gluones (temperatura, densidad). Además, también es necesario tener en cuenta el hecho de que los quarks y gluones coloreados son los objetos elementales del plasma, lo que difiere de la pérdida de energía por un partón en un medio compuesto de hadrones incoloros. Bajo las condiciones de un plasma de quarks y gluones, las pérdidas de energía resultantes de las energías de RHIC por los partones se estiman comodmidincógnita=1 GeV/fm{\displaystyle {\frac {dE}{dx}}=1~{\text{GeV/fm}}}Esta conclusión se confirma al comparar el rendimiento relativo de hadrones con un gran impulso transversal en colisiones nucleón-nucleón y núcleo-núcleo a la misma energía de colisión. La pérdida de energía de los partones con un gran impulso transversal en colisiones nucleón-nucleón es mucho menor que en colisiones núcleo-núcleo, lo que conlleva una disminución en el rendimiento de hadrones de alta energía en colisiones núcleo-núcleo. Este resultado sugiere que las colisiones nucleares no pueden considerarse como una simple superposición de colisiones nucleón-nucleón. Durante un breve tiempo, ~1 ​​μs, y en el volumen final, los quarks y gluones forman una especie de líquido ideal. Las propiedades colectivas de este fluido se manifiestan durante su movimiento en su conjunto. Por lo tanto, al mover partones en este medio, es necesario tener en cuenta algunas propiedades colectivas de este líquido de quarks y gluones. Las pérdidas de energía dependen de las propiedades del medio de quarks y gluones, de la densidad de partones en la bola de fuego resultante y de la dinámica de su expansión. Las pérdidas de energía de los quarks ligeros y pesados ​​durante el paso de una bola de fuego resultan ser aproximadamente iguales. [ 45 ]

En noviembre de 2010, el CERN anunció la primera observación directa del apagamiento de chorros, basada en experimentos con colisiones de iones pesados. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]

Fotones directos y dileptones

Los fotones térmicos y los dileptones son importantes sondas electromagnéticas del plasma de quarks y gluones (QGP) formado en colisiones relativistas de iones pesados . A diferencia de los hadrones, que reflejan predominantemente las etapas finales de la colisión, las sondas electromagnéticas se emiten a lo largo de toda la evolución espaciotemporal de la bola de fuego, desde la fase desconfinada inicial hasta la etapa hadrónica y el congelamiento cinético, cuando cesan las interacciones fuertes. Debido a que los fotones y los leptones interactúan únicamente electromagnéticamente, su camino libre medio es mucho mayor que el tamaño del volumen de colisión, lo que les permite escapar del medio con interacciones mínimas en el estado final. Como resultado, proporcionan información directa sobre la temperatura y la dinámica espaciotemporal de la materia creada en la colisión. La masa de los dileptones, en particular, ayuda a distinguir los efectos de los partones y los hadrones , lo que permite estudiar la temperatura promedio del plasma y su tiempo de equilibrio. [ 50 ]

Hipótesis de Glasma

Desde 2008, se debate sobre un hipotético estado precursor del plasma de quarks y gluones, el llamado "Glasma", donde las partículas vestidas se condensan en una especie de estado vítreo (o amorfo), por debajo de la transición genuina entre el estado confinado y el plasma líquido. [ 51 ]

Esto sería análogo a la formación de vidrios metálicos .

Aunque las altas temperaturas y densidades experimentales predichas para producir un plasma de quarks y gluones se han alcanzado en el laboratorio, la materia resultante no se comporta como un estado cuasi-ideal de quarks y gluones libres, sino más bien como un fluido denso casi perfecto . [ 52 ] De hecho, el hecho de que el plasma de quarks y gluones aún no sea "libre" a las temperaturas alcanzadas en los aceleradores actuales se predijo en 1984, como consecuencia de los efectos residuales del confinamiento. [ 53 ] [ 54 ]

estrellas de neutrones

Se ha planteado la hipótesis de que el núcleo de algunas estrellas de neutrones supermasivas puede ser un plasma de quarks y gluones. [ 55 ]

Inicio del desconfinamiento

El tema central de la formación de un plasma de quarks y gluones es la investigación del inicio del desconfinamiento . Desde el comienzo de la investigación sobre la formación de QGP, el tema fue si se puede alcanzar la densidad de energía en colisiones núcleo-núcleo. Esto depende de cuánta energía pierde cada nucleón. Una imagen de reacción influyente fue la solución de escala presentada por Bjorken . [ 56 ] Este modelo se aplica a colisiones de energía ultra alta. En experimentos realizados en CERN SPS y BNL RHIC surgió una situación más compleja, generalmente dividida en tres etapas: [ 57 ]

  • Colisiones primarias de partones y parada de bariones en el momento de la superposición completa de los núcleos en colisión.
  • Redistribución de la energía de las partículas y nuevas partículas nacidas en la bola de fuego del plasma de quarks y gluones.
  • La bola de fuego de la materia QGP se equilibra y se expande antes de hadronizarse.

Cada vez hay más evidencia experimental que apunta a la fuerza de los mecanismos de formación del QGP, que operan incluso en colisiones protón-protón a escala de energía del LHC. [ 20 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con el plasma de quarks y gluones en Wikimedia Commons.
  • El colisionador de iones pesados ​​relativistas del Laboratorio Nacional de Brookhaven
  • El experimento de Alicia archivado el 2 de junio de 2011 en la Wayback Machine del CERN.
  • Iniciativa india de teoría de gauge en retículos
  • Reseñas sobre la materia de quarks: teoría de 2004 , experimento de 2004
  • Reseñas sobre el plasma de quarks y gluones: teoría de 2011
  • Reseñas de Lattice: 2003 , 2005
  • Artículo de la BBC que menciona los resultados de Brookhaven (2005).
  • Artículo de Physics News Update sobre el líquido de quarks y gluones, con enlaces a preimpresiones.
  • «Hadrones y plasma de quarks y gluones» por Jean Letessier y Johann Rafelski , Cambridge University Press (2002) ISBN 0-521-38536-9Cambridge, Reino Unido;