El tamaño mínimo de una gota de agua es el de unas pocas moléculas de agua. ¿Cuál es el tamaño mínimo de un plasma de quarks y gluones (QGP)? Se pensaba que era el de unos pocos protones (pongamos 10 fm). Sin embargo, las colisiones protón contra protón a 13 TeV c.m. en el detector ATLAS del LHC muestran el famoso ridge (la cresta) asociada a correlaciones de partículas en un QGP en colisiones ión contra ión (AuAu y PbPb). Este resultado confirma la sospecha, el QGP puede existir como fluido hadrónico en tamaños más pequeños que un protón. Compara la figura de la izquierda para colisiones con menos de 30 partículas cargadas, que no muestra el ridge, con la de la derecha para colisiones con con más de 120 partículas cargadas, que muestra claramente el ridge para Δϕ≈0 (casi independiente de Δη).
¿Cuál es la causa exacta del ridge? En las colisiones ión contra ión se debe a correlaciones entre las partículas del QGP que se forma. Pero en las colisiones protón contra ión (pPb) y protón contra protón (pp) aún no conocemos su origen. Muchos expertos creen que se produce un QGP de menor tamaño que un protón. Recuerda que para ilustrar el QGP se usa una figura que correlaciona las diferencias entre las direcciones de emisión de las partículas producidas en una colisión (pp, pPb o PbPb); la dirección de un partícula se describe por dos ángulos (ϕ,η) y la diferencia entre las direcciones de dos partículas está dada por (Δϕ,Δη). Por tanto, la nueva figura de ATLAS muestra la correlación C(Δϕ,Δη). Un resultado inesperado obtenido con sólo 14 /nb de colisiones a 13 TeV c.m. recabadas durante junio de 2015.
Más información en “ATLAS measurements of the ridge in proton-proton collisions at 13TeV,” ATLAS Collaboration, 24 Jul 2015; que yo sepa todavía no se ha publicado el artículo con los detalles. El ridge en colisiones pPb en ATLAS Collaboration, “Measurement of the azimuthal anisotropy for charged particle production in sqrt(s_NN) = 2.76 TeV lead-lead collisions with the ATLAS detector,” Phys. Rev. C 86: 014907, 2012, doi: 10.1103/PhysRevC.86.014907, arXiv:1203.3087 [hep-ex]; y en colisiones PbPb en ATLAS Collaboration, “Observation of Associated Near-side and Away-side Long-range Correlations in sqrt(s_NN) =5.02 TeV Proton-lead Collisions with the ATLAS Detector,” Phys. Rev. Lett. 110: 182302, 2013, doi: 10.1103/PhysRevLett.110.182302,arXiv:1212.5198 [hep-ex].
También recomiendo la charla de Wei Li (Rice University), “Collectivity in pA/pp collisions: what have we learned and what’s next?,” 2nd Conference on Heavy Ion Collisions in the LHC Era and Beyond, Quy Nhon, Vietnam, 27 Jul – 02 Aug, 2015 [contribution]. La nueva observación en colisiones pPb en LHCb se ha publicado en Marco Meissner, “LHCb results in proton-nucleus collisions at the LHC,” EPS HEP 2015, 23 Jul 2015 [contribution].
Por supuesto, en las colisiones pp a 13 TeV el ridge no se ve tan claro como en las colisiones pPb a 5,02 TeV (por nucleón), como la mostrada en esta figura de ATLAS a la derecha (en la figura de la izquierda no se observa el ridge).
Y, por supuesto, tampoco se ve tan claro como en el caso de las colisiones PbPb a 2,76 TeV (por nucleón), como muestra esta figura de ATLAS (fíjate que en ellas Δϕ=0, donde está el ridge, está en la parte de atrás del eje Δϕ, a diferencia de las figuras anteriores).
El descubrimiento del ridge en las colisiones protón contra protón fue la gran sorpresa del año 2010 en física de partículas. El detector CMS con colisiones a 7 TeV c.m. observó este fenómeno que parecía limitado a las colisiones entre iones pesados. El resultado fue confirmado por ATLAS y ALICE. El siguiente paso fue tratar de observarlo en colisiones protón contra ión (plomo en el LHC).
En colisiones protón contra ión de plomo (pPb) a 5,02 TeV c.m. por nucleón se ha observado el ridge en todos los detectores (ALICE, ATLAS, CMS e incluso LHCb, este último resultado se acaba de publicar). Todo indica que en estas colisiones se forma unlíquido de quarks y gluones que presenta correlaciones a largo alcance entre las partículas que lo constituyen. Al colisiones dos iones la región de interacción toma una forma elíptica que se comporta como un líquido (flujo elíptico).
Entendemos el origen del ridge en las colisiones ión contra ión. Sin embargo, dicha explicación no parece explicar bien el ridge en las colisiones protón contra ión y protón contra protón. Los cálculos teóricos son mucho más difíciles de hacer puedes no podemos hacer ciertas aproximaciones que se usan en las colisiones entre iones. Puede que la explicación del fenómeno sea la misma, pero aún no entendemos este fenómeno. Desde 2010 se está trabajo intensamente. Quizás pronto sepamos la respuesta.
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