Artículo publicado el 31 de agosto de 2015 en BNL News
Los primeros resultados procedentes de las colisiones de iones de tres partículas contra núcleos de oro revelan una prueba sólida de la señal del flujo de partículas en la sopa primordial.
El Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), un colisionador de partículas para investigación en física nuclear en el Brookhaven National Laboratory, hace chocar entre sí grandes núcleos casi a la velocidad de la luz para recrear la sopa primordial de partículas fundamentales que existió en los primeros momentos del universo.
Los experimentos en el RHIC han demostrado que que esta sopa primordial, conocida como plasma de quarks-gluones (QGP), fluye casi como un líquido “perfecto”, prácticamente sin fricción. Nuevos datos del RHIC, recientemente aceptados para su publicación en la revista Physical Review Letters, confirman las sospechas iniciales sobre que las colisiones de partículas mucho menores también pueden crear gotitas de esta sopa primordial de flujo libre, aunque a una escala mucho menor, cuando colisionan con un núcleo grande.
Colisiones de núcleos de oro en el RHIC
“Estas minúsculas gotitas de plasma de quarks-gluones al principio eran una interesante sorpresa”, comenta Berndt Mueller, Director Asociado del Laboratorio para Física Nuclear y de Partículas en Brookhaven. “Los físicos inicialmente pensaron que sólo los núcleos de los átomos grandes, como el oro, tendrían suficiente materia y energía para liberar los quarks y gluones, los bloques básicos que forman los protones y los neutrones. Pero los patrones de flujo detectados por la colaboración PHENIX del RHIC en las colisiones de núcleos de helio-3 contra iones de oro, confirman que estas partículas más pequeñas están creando minúsculas muestras del líquido perfecto QGP”.
Estos resultados se basan en unos hallazgos anteriores procedentes de la colisión de iones de dos partículas conocidos como deuterones contra iones de oro en el RHIC, así como las colisiones protón-plomo y protón-protón que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Europa. También preparan el camino para la actual fase de colisión de protones contra oro en el RHIC.
“La idea de que tales colisiones de pequeñas partículas contra núcleos mayores pudiera crear gotitas de plasma de quarks-gluones, ha guiado una serie de experimentos para poner a prueba esta idea y sus explicaciones alternativas, y estimuló un rico debate sobre las implicaciones de los hallazgos”, explica el físico de la Universidad de Colorado Jamie Nagle, co-portavoz de la colaboración PHENIXen el RHIC. “Estos experimentos están revelando los elementos clave que se requieren para crear un plasma de quarks-gluones, y podría también ofrecer una visión sobre las características del estado inicial de las partículas que colisionan”.
Patrones de flujo geométricos
El descubrimiento del líquido “perfecto” en el RHIC, anunciado definitivamente en 2005, se basó mayormente en las observaciones de partículas que fluían en un patrón elíptico a partir de la materia creada en las colisiones más energéticas, de oro contra oro, en el RHIC.
Este flujo fue una señal clara de que las partículas que surgen de estas colisiones se comportan de una forma correlacionada, o colectiva, que contrasta drásticamente con el gas en expansión uniforme que esperaban los científicos.
Experimentos adicionales confirmaron que el líquido está, efectivamente, compuesto de los bloques básicos más fundamentales de la materia visible, quarks y gluones, ya fuera de su confinamiento dentro de los neutrones y protones individuales, y el flujo tiene lugar con una resistencia mínima, haciendo del QGP un liquido casi perfecto.
“Los experimentos que colisionan partículas pequeñas contra iones pesados se diseñaron originalmente como experimentos de control debido a que se suponía que no iban a crear el QGP”, señala Nagle. “Pero las observaciones en el LHC de las colisiones de alta energía entre protones, y posteriores experimentos colisionando protones contra plomo, revelaron pistas de que las partículas que surgían de esas minúsculas colisiones también se comportaban de forma colectiva y fluían. Tenían un aspecto muy similar al de las señales de líquido perfecto originalmente descubiertas en las colisiones oro-oro en el RHIC y, posteriormente, en las colisiones del LHC”.
Cuando los físicos del RHIC comprobaron los datos de RHIC de 2008, cuando se hicieron impactar deuterones (un núcleo hecho de un protón y un neutrón) contra iones de oro, vieron un patrón similar.
“Dado que el deuterón está formado por dos partículas, crea dos impactos distintos en el núcleo, dos puntos calientes que parecen fusionarse y formar una gota alargada de QGP”, señala Nagle.
La prueba definitiva
Esas observaciones dispararon la idea de poner a prueba los patrones de flujo en un rango más estrecho de experimentos controlados, lo cual sólo es posible en el RHIC, donde los físicos pueden hacer colisionar una gran variedad de iones para controlar la forma de las gotas de la materia creada.
Con colisiones adicionales de deuterones-oro ya disponibles, los científicos del RHIC dispusieron la colisión de núcleos de helio-3, con tres partículas, cada uno formado por dos protones y un neutrón, contra el oro, y posteriormente protones aislados contra oro.
“El detector de PHENIX puede captar partículas procedentes de las colisiones en puntos muy alejados del lugar de impacto.
Este gran ángulo nos permite medir el flujo en estos pequeños sistemas de colisión”, señala Shengli Huang, colaborador de PHENIX en la Universidad de Vanderbilt que llevó a cabo el análisis. “PHENIX también tiene un detector de disparo que capta y registra las colisiones más violentas, aquellas en las que el patrón de flujo es más visible”, comenta.
El análisis de esos eventos, tal como se describe en el nuevo artículo, revela que las colisiones de helio-oro exhiben un patrón de flujo triangular que los científicos dicen que es consistente con la creación de tres minúsculas gotitas de QGP. También dicen que los datos indican que estas pequeñas colisiones de partículas podrían estar produciendo las temperaturas extremas requeridas para liberar los quarks y gluones, aunque a una escala mucho menor y más localizada que en los dominios relativamente grandes del QGP creado en las colisiones de iones pesados.
“Ésta es una medida bastante definitiva”, comenta Nagle. “El artículo tiene un gráfico de flujo elíptico y triangular que encaja muy bien con los cálculos de flujo hidrodinámico que se esperarían para el QGP. Estamos realmente diseñando distintas formas del QGP para manipularlo y ver cómo se comporta”.
Existen otras señales clave de formación del QGP, tales como la detección de chorros de partículas energéticas, que no se han detectado en las gotitas.
Y otra explicación teórica sugiere que los patrones de flujo resultantes de algunas de las colisiones entre núcleos de partículas pequeñas podrían surgir a partir de las interacciones de gluones dentro de las partículas que chocan, en lugar de a partir de la formación del QGP.
“En este momento, el único marco teórico que reproduce los patrones que estamos observando en las colisiones de deuterones-oro y helio-3-oro es la dinámica de fluidos”, apunta Bjoern Schenke, teórico nuclear en el Brookhaven Lab. “Aún queda por ver si los modelos alternativos pueden describir también estos patrones”.
Si otros modelos resultan ser compatibles con los datos de helio-3-oro, los físicos querrán explorar si estos modelos realizan predicciones que difieren de las del modelo de flujo hidrodinámico, y para qué tipos de colisiones.
“Las buenas noticias son que el RHIC, con su versatilidad sin igual, podrá estudiar cualquier sistema que pueda discriminar entre distintos modelos”
