El punto crítico entre materia ordinaria y plasma quark-gluón

En su infancia, cuando el universo tenía unas pocas millonésimas de segundo de edad, los elementos constituyentes de la materia se movían libremente en una sopa densa y caliente de quarks y gluones.

 A medida que el universo se expandía, este plasma de quarks y gluones se iba enfriando rápidamente, y tanto los protones como neutrones y otras formas de la materia ordinaria se iban "enfriando":

 los quarks se aglitinaban debido al intercambio de gluones, portadores de la interacción nuclear fuerte.

"La teoría que describe la interacción nuclear fuerte se llama cromodinámica cuántica, o QCD", explica Nu Xu, del Departamento deLawrence Berkeley National Laboratory(Berkeley Lab), de EE.UU., y portavoz del experimento STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider ​​(RHIC) del DOE's Brookhaven National Laboratory. "QCD ha tenido un gran éxito al explicar las interacciones de quarks y gluones en distancias cortas, como la alta energía de las colisiones del protón y antiprotón en el Fermi National Accelerator Laboratory; aunque no tanto en las grandes acumulaciones de materia, incluyendo el plasma de quark-gluón, en las grandes distancias o en transferencias más pequeñas de momentum, según propone la llamada teoría reticular de gauge."

Hasta no hace mucho, los cálculos de la QCD, aplicados a la acumulación caliente y densa de materia, no podía probarse mediante la experimentación. 

A partir de 2000, sin embargo, el RHIC fue capaz de recrear las condiciones extremas de los inicios del universo en miniatura, chocando núcleos de oro (iones pesados) en altas energías.

Experimentadores de RHIC, en colaboración con el teórico Sourendu Gupta, del Instituto Tata de Investigaciones Fundamentales de la india, han comparado recientemente las predicciones de la teoría reticular de la naturaleza del plasma quark-gluón con ciertos resultados experimentales de STAR.

 De esta manera, han establecido el límite de temperatura donde la materia ordinaria y la materia de quarks se cruzan y cambio de fase. Sus resultados aparecen en la revista Science.

Diagramas de fase

El objetivo de esta labor teórica y experimental consiste en estudiar y fijar los puntos clave del diagrama de fase de la cromodinámica cuántica.

 Los diagramas de fase son mapas que muestran, por ejemplo, de qué manera los cambios en la presión y temperatura determinan las fases del agua, ya sea hielo, líquida o vapor. Un diagrama de fase de QCD cartografía la distribución de la materia ordinaria (conocida como materia hadrónica), el plasma de quarks-gluones y otras posibles fases de la QCD, como la superconductividad de interacción fuerte.

"Trazar un diagrama de este tipo requiere cálculos teóricos y un esfuerzo experimental con colisiones de iones pesados", señala Xu, que es miembro de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley y autor del artículo en Science. Los estudios experimentales requieren unos aceleradores muy poderosos como el RHIC, en Long Island, o el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Ginebra, mientras que los cálculos de la QCD, usando la teoría reticular de gauge, necesitan las supercomputadoras más grandes y rápidas del mundo.

 Las comparaciones directas pueden conseguir más que uno u otro enfoque por sí solo.

Uno de los requisitos básicos de cualquier diagrama de fase es establecer la escala. Un diagrama de fase del agua podría basarse en la escala de Celsius, definida por el punto de ebullición del agua a presión normal (es decir, a nivel del mar).

 A pesar de que, con la presión, cambia el punto de ebullición (a mayor altitud, el agua hierve a temperaturas más bajas), estos cambios pueden compararse con un valor fijo.

La escala del diagrama de fase de QCD, se define por una temperatura de transición establecida en el valor cero del "potencial químico de bariones."

 El potencial químico de bariones mide el desequilibrio entre la materia y la antimateria, y cero indica el equilibrio perfecto.

A través de extensos cálculos y los datos reales del experimento STAR, el equipo fue capaz de establecer la temperatura de transición QCD. Pero antes de que pudieran hacerlo, primero debieron darse cuenta de un resultado igualmente importante, que muestran que los sistemas altamente dinámicos de las colisiones de oro-oro del RHIC, en las cuales el plasma de quark-gluón pestañea dentro y fuera de la existencia, de hecho, logran el equilibrio térmico. 

Aquí es donde la teoría y la experimentación trabajaron mano a mano.

"Las bolas ígneas [fireballs] se producen cuando el choque del núcleo de oro es completamente distinto, muy dinámico, y por en un tiempo extremadamente corto", apunta Hans Georg Ritter, responsable del programaRelativistic Nuclear Collisions de la División de Ciencia Nuclear del Laboratorio de Berkeley, y autor del artículo enScience.

 No obstante, debido a las diferencias de valor del tipo observado en el informe STAR, están relacionadas con las fluctuaciones de los valores termodinámicos que predice la teoría reticular de gauge, según Ritter, "al comparar nuestros resultados con las predicciones de la teoría, hemos demostrado que lo que medimos es consistente con las bolas ígneas que alcanzan el equilibrio térmico.

 Esto es un logro importante ".

A partir de ese momento, los científicos confian en seguir adelante, tras haber establecido la escala del diagrama de fase de QCD.

 Después de una cuidadosa comparación entre datos experimentales y los resultados de los cálculos de la teoría reticular de gauge, los científicos concluyeron que la temperatura de transición (expresada en unidades de energía) es de 175 MeV (175 millones de electrón-voltios).

De esta forma, se podía desarrollar la "conjetura" del diagrama de fase, donde se muestra el límite entre la fase de baja temperatura hadrónica de la materia ordinaria y la fase de alta temperatura quark-gluón.

Buscando el punto crítico

El entramado QCD también predice la existencia de un "punto crítico". En un diagrama de fase QCD, el punto crítico marca el final de una línea que muestra las dos fases que se cruzan, una dentro de la otra.

 Al cambiar la energía, por ejemplo, se puede ajustar el potencial químico de bariones (el balance de materia y antimateria).

Entre los colisionadores de iones pesados ​​del mundo, sólo el RHIC puede sintonizar la energía de las colisiones en la región del diagrama de fase de QCD, donde el punto crítico es más probable que se encuentre, a partir de una energía de 200 a 5 mil millones de electrón-voltios por cada par de nucleones (protones o neutrones).

Según Ritter, "establecer la existencia de un punto crítico QCD sería más importante aún que el establecimiento de la escala." 

En 2010, el RHIC puso en marcha un programa para buscar el punto crítico de la cromodinámica cuántica.

A lo que Xu añade: "En este trabajo, se compararon los datos experimentales con los cálculos reticularesdirectamente, algo nunca hecho antes.

 Esto es un verdadero paso adelante, y nos ha permitido establecer la escala del diagrama de fase de QCD. 

Aquí comienza pues, una era de mediciones de precisión para la física de iones pesados."

·        Referencia: EurekAlert!.org, 23 junio 2011. Contacto: Paul Preuss

·        Fuente: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory .

·        Imagen: Materia ordinaria vs. plasma de quark-gluón. Por encima de una temperatura crítica, los protones y neutrones y otras formas de materia hadrónica se "funden" en una sopa densa y caliente de quarks y gluones libres (fondo), lo que se llama, plasma de quark-gluón.