Los puntos calientes en la física subatómica son regiones de alta densidad de energía o temperatura en la materia hadrónica o nuclear.
Los puntos calientes son una manifestación del tamaño finito del sistema: en física subatómica, esto se refiere tanto a los núcleos atómicos , que consisten en nucleones , como a los nucleones mismos, que están hechos de quarks y gluones . Otras manifestaciones de tamaños finitos de estos sistemas se ven en la dispersión de electrones en núcleos y nucleones. Para los núcleos en particular, los efectos de tamaño finito se manifiestan también en el desplazamiento isomérico y el desplazamiento isotópico .
La formación de puntos calientes presupone el establecimiento de un equilibrio local , que a su vez se produce si la conductividad térmica en el medio es suficientemente pequeña. Las nociones de equilibrio y calor son estadísticas. El uso de métodos estadísticos presupone un gran número de grados de libertad. En física macroscópica este número suele referirse al número de átomos o moléculas, mientras que en física nuclear y de partículas se refiere a la densidad del nivel de energía. [1]
El equilibrio local es el precursor del equilibrio global y el efecto del punto caliente puede utilizarse para determinar la rapidez con la que se produce, si es que se produce, la transición del equilibrio local al global. El hecho de que esta transición no siempre se produzca se debe a que la duración de una reacción de interacción fuerte es bastante corta (del orden de 10 −22 –10 −23 segundos) y la propagación del "calor", es decir, de la excitación, a través del cuerpo de tamaño finito del sistema requiere un tiempo finito, que está determinado por la conductividad térmica de la materia de la que está hecho el sistema. En la década de 1960 y principios de la de 1970 comenzaron a surgir indicios de la transición entre el equilibrio local y el global en la física de partículas de interacción fuerte. En las interacciones fuertes de alta energía, el equilibrio no suele ser completo. En estas reacciones, con el aumento de la energía de laboratorio se observa que los momentos transversales de las partículas producidas tienen una cola, que se desvía del espectro exponencial simple de Boltzmann , característico del equilibrio global. La pendiente o temperatura efectiva de esta cola de momento transversal aumenta con el aumento de la energía. Estos grandes momentos transversales se interpretaron como debidos a partículas que "se escapan" antes de alcanzar el equilibrio. Se habían realizado observaciones similares en reacciones nucleares y también se atribuyeron a efectos de preequilibrio. Esta interpretación sugería que el equilibrio no es instantáneo ni global, sino más bien local en el espacio y el tiempo. Al predecir una asimetría específica en las reacciones hadrónicas periféricas de alta energía basadas en el efecto de punto caliente, Richard M. Weiner [2] propuso una prueba directa de esta hipótesis, así como de la suposición de que la conductividad térmica en la materia hadrónica es relativamente pequeña. El análisis teórico del efecto de punto caliente en términos de propagación del calor se realizó en la referencia [3] .
En las reacciones hadrónicas de alta energía se distinguen reacciones periféricas con baja multiplicidad y colisiones centrales con alta multiplicidad. Las reacciones periféricas también se caracterizan por la existencia de una partícula líder que retiene una gran proporción de la energía entrante. Tomando la noción de periférica literalmente, la referencia 2 sugirió que en este tipo de reacción la superficie de los hadrones en colisión se excita localmente dando lugar a un punto caliente, que se desexcita mediante dos procesos: 1) emisión de partículas al vacío 2) propagación de "calor" en el cuerpo del objetivo (proyectil) desde donde finalmente también se emite a través de la producción de partículas. Las partículas producidas en el proceso 1) tendrán energías más altas que las debidas al proceso 2), porque en este último proceso la energía de excitación se degrada en parte. Esto da lugar a una asimetría con respecto a la partícula líder, que debería ser detectable en un evento experimental mediante análisis de eventos. Este efecto fue confirmado por Jacques Goldberg [4] en reacciones K− p→ K− p π+ π− a 14 GEV/c. Este experimento representa la primera observación de equilibrio local en interacciones hadrónicas, permitiendo en principio una determinación cuantitativa de la conductividad térmica en materia hadrónica en línea con la Ref.3. Esta observación fue una sorpresa, [5] porque, aunque los experimentos de dispersión electrón-protón habían demostrado más allá de toda duda que el nucleón tenía un tamaño finito, a priori no estaba claro si este tamaño era lo suficientemente grande para que el efecto de punto caliente fuera observable, es decir, si la conductividad térmica en materia hadrónica era lo suficientemente pequeña. El Experimento 4 sugiere que este es el caso.
En los núcleos atómicos, debido a sus mayores dimensiones en comparación con los nucleones, los conceptos estadísticos y termodinámicos se han utilizado ya en la década de 1930. Hans Bethe [6] había sugerido que la propagación del calor en la materia nuclear podría estudiarse en colisiones centrales y Sin-Itiro Tomonaga [7] había calculado la conductividad térmica correspondiente. El interés en este fenómeno fue resucitado en la década de 1970 por el trabajo de Weiner y Weström [8] [9] que establecieron el vínculo entre el modelo de punto caliente y el enfoque de preequilibrio utilizado en reacciones de iones pesados de baja energía. [10] [11] Experimentalmente, el modelo de punto caliente en reacciones nucleares fue confirmado en una serie de investigaciones [12] [13] [14] [15] algunas de las cuales de naturaleza bastante sofisticada, incluyendo mediciones de polarización de protones [16] y rayos gamma. [17] Posteriormente, en el aspecto teórico, se analizó el vínculo entre los puntos calientes y la fragmentación limitante [18] y la transparencia [19] en las reacciones de iones pesados de alta energía y se estudiaron los “puntos calientes a la deriva” para las colisiones centrales. [20] [21] Con la llegada de los aceleradores de iones pesados, los estudios experimentales de los puntos calientes en la materia nuclear se convirtieron en un tema de interés actual y se dedicó una serie de reuniones especiales [22] [23] [24] [25] al tema del equilibrio local en interacciones fuertes. Los fenómenos de los puntos calientes, la conducción de calor y el preequilibrio también juegan un papel importante en las reacciones de iones pesados de alta energía y en la búsqueda de la transición de fase a la materia de quarks. [26]
Las ondas solitarias ( solitones ) son un posible mecanismo físico para la creación de puntos calientes en interacciones nucleares. Los solitones son una solución de las ecuaciones hidrodinámicas caracterizadas por una región localizada estable de alta densidad y un pequeño volumen espacial. Se predijo [27] [28] que aparecerían en colisiones de iones pesados de baja energía a velocidades del proyectil ligeramente superiores a la velocidad del sonido (E/A ~ 10-20 MeV; aquí E es la energía entrante y A el número atómico). Una posible evidencia [29] de este fenómeno la proporciona la observación experimental [30] de que la transferencia de momento lineal en las reacciones de iones pesados inducidas por 12C es limitada.