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Plasma de quarks-gluones

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

El plasma de quarks-gluones ( QGP o sopa de quarks ) es un conjunto localizado de quarks y gluones que interactúan en equilibrio térmico (cinético local) y (cercano al) químico (abundancia). La palabra plasma indica que se permiten cargos de color gratuitos. En un resumen de 1987, Léon van Hove señaló la equivalencia de los tres términos: plasma de quarks gluones, materia de quarks y un nuevo estado de la materia. [2] Dado que la temperatura está por encima de la temperatura de Hagedorn —y por lo tanto por encima de la escala de masa de quarks u,d ligeros— la presión exhibe el formato relativista de Stefan-Boltzmann gobernado por la temperatura a la cuarta potencia ( ) y muchos quarks y quarks prácticamente sin masa constituyentes de gluones. Se puede decir que QGP surge como la nueva fase de materia que interactúa fuertemente y que manifiesta sus propiedades físicas en términos de dinámica casi libre de gluones y quarks prácticamente sin masa. Tanto los quarks como los gluones deben estar presentes en condiciones cercanas al equilibrio químico (rendimiento) con su carga de color abierta para que un nuevo estado de la materia se denomine QGP.

En la teoría del Big Bang, el plasma de quarks y gluones llenó todo el Universo antes de que se creara la materia tal como la conocemos. Las teorías que predicen la existencia de plasma de quarks-gluones se desarrollaron a finales de los años setenta y principios de los ochenta. [3] Siguieron los debates sobre la experimentación con iones pesados ​​[4] [5] [6] [7] [8] y las primeras propuestas de experimentos se presentaron en el CERN [9] [10] [11] [12] [13] [14] y BNL [15] [16] en los años siguientes. El plasma de quarks-gluones [17] [18] se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000. [19] [20] [21]

Cronología del programa relativista de iones pesados ​​del CERN-SPS antes del descubrimiento del QGP. [19]

Introducción general

El plasma de quarks-gluones es un estado de la materia en el que las partículas elementales que forman los hadrones de la materia bariónica se liberan de su fuerte atracción entre sí bajo densidades de energía extremadamente altas . Estas partículas son los quarks y gluones que componen la materia bariónica. [22] En la materia normal los quarks están confinados ; en el QGP los quarks están desconfinados . En la cromodinámica cuántica clásica (QCD), los quarks son los componentes fermiónicos de los hadrones ( mesones y bariones), mientras que los gluones se consideran los componentes bosónicos de dichas partículas. Los gluones son los portadores de fuerza, o bosones, de la fuerza de color QCD, mientras que los quarks por sí mismos son sus contrapartes de materia fermiónica.

El plasma de quarks-gluones se estudia para recrear y comprender las condiciones de alta densidad de energía que prevalecían en el Universo cuando la materia se formó a partir de grados de libertad elementales (quarks, gluones) aproximadamente 20 μs después del Big Bang . Grupos experimentales están investigando a "gran" distancia la (des)confinante estructura del vacío cuántico, el actual éter relativista, que determina la forma predominante de la materia y las leyes de la naturaleza. Los experimentos dan una idea del origen de la materia y la masa: la materia y la antimateria se crean cuando el plasma de quarks-gluones se 'hadroniza' y la masa de materia se origina en la estructura de vacío confinada. [19]

Cómo encaja el plasma de quarks-gluones en el esquema general de la física

QCD es una parte de la teoría moderna de la física de partículas llamada Modelo Estándar . Otras partes de esta teoría tratan de interacciones electrodébiles y neutrinos . La teoría de la electrodinámica ha sido probada y se ha demostrado que es correcta en unas pocas partes entre mil millones. La teoría de las interacciones débiles ha sido probada y se ha demostrado que es correcta en unas pocas partes entre mil. Se han probado formas perturbativas de QCD en un pequeño porcentaje. [23] Los modelos perturbativos suponen cambios relativamente pequeños desde el 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 QCD apenas se han probado. El estudio del QGP, que tiene alta temperatura y densidad, es parte de este esfuerzo por consolidar la gran teoría de la física de partículas.

El estudio del QGP es también un campo de pruebas para la teoría de campos de temperaturas finitas , 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. Es crucial para los objetivos físicos de una nueva generación de observaciones del universo ( WMAP y sus sucesores). También es relevante para las teorías de la gran unificación que buscan unificar las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza (excluyendo la gravedad).

Razones para estudiar la formación del plasma de quarks-gluones

El modelo generalmente aceptado de la formación del Universo afirma que ocurrió como resultado del Big Bang . En este modelo, en el intervalo de tiempo de 10 −10 –10 −6 s después del Big Bang, la materia existía en forma de plasma de quarks y gluones. Es posible reproducir la densidad y temperatura de la materia existente en aquella época 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 de más de cien GeV. Utilizando el resultado de una colisión frontal en un volumen aproximadamente igual al volumen del núcleo atómico, es posible modelar la densidad y temperatura que existieron en los primeros instantes de la vida del Universo.

Relación con el plasma normal

Un plasma es materia en la que se proyectan cargas debido a la presencia de otras cargas móviles. Por ejemplo: el apantallamiento suprime la ley de Coulomb para producir una carga dependiente de la distancia, es decir, la carga Q se reduce exponencialmente con la distancia dividida por una longitud de apantallamiento α. En un QGP se analiza la carga de color de los quarks y gluones. El QGP tiene otras analogías con un plasma normal. También existen diferencias porque la carga de color no es abeliana , mientras que la carga eléctrica es abeliana. 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 de color neutro. Por lo tanto, como un núcleo, tendrá carga eléctrica entera.

Debido a las energías extremadamente altas involucradas, los pares quark-antiquark se producen mediante producción de pares y, por lo tanto, QGP es una mezcla aproximadamente igual de quarks y antiquarks de diversos sabores, con sólo un ligero exceso de quarks. Esta propiedad no es una característica general de los plasmas convencionales, que pueden ser demasiado fríos para la producción de pares (ver, sin embargo, supernova de inestabilidad de pares ).

Teoría

Una consecuencia de esta diferencia es que la carga de color es demasiado grande para los cálculos perturbativos que son el pilar de QED. Como resultado, la principal herramienta teórica para explorar la teoría del QGP es la teoría del calibre de red . [24] [25] La temperatura de transición (aproximadamente175  MeV ) fue predicho por primera vez por la teoría del calibre de red. Desde entonces, la teoría del calibre de red se ha utilizado para predecir muchas otras propiedades de este tipo de materia. La conjetura de la correspondencia AdS/CFT puede proporcionar información sobre QGP; además, el objetivo final de la correspondencia fluido/gravedad es comprender QGP. Se cree que el QGP es una fase de QCD que está completamente termalizada localmente y, por lo tanto, es adecuada para una descripción dinámica de fluidos 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 una 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 superior a 1,66× 10 12 K. Esto se puede lograr colisionando dos núcleos grandes a alta energía (tenga en cuenta que175 MeV no es la energía del haz que colisiona). Se han utilizado núcleos de plomo y oro para tales colisiones en el CERN SPS y el BNL RHIC , respectivamente. Los núcleos se aceleran a velocidades ultrarelativistas ( contrayendo su longitud ) y se dirigen entre sí, 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 pusieron a prueba la teoría.

Herramientas diagnosticas

Existe evidencia abrumadora de la producción de plasma de quarks-gluones en colisiones relativistas de iones pesados. [26] [27] [28] [29] [30]

Las clases importantes de observaciones experimentales son

Propiedades esperadas

Termodinámica

La temperatura de cruce de la fase hadrónica normal a la fase QGP es de aproximadamente156 MeV . [31] En realidad, este "cruce" puede no ser sólo una característica cualitativa, sino que puede tener que ver con una verdadera transición de fase (de segundo orden), por ejemplo, de la clase de universalidad del modelo tridimensional de Ising . 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 celosías y se ha comparado tanto con la teoría de perturbaciones como con la teoría de cuerdas . Esto sigue siendo una cuestión de investigación activa. Actualmente se están calculando funciones de respuesta como el calor específico y diversas susceptibilidades del número de quarks.

Fluir

El descubrimiento del líquido perfecto supuso un punto de inflexión en la física. Los experimentos en RHIC han revelado una gran cantidad de información sobre esta extraordinaria sustancia, que ahora sabemos que es un QGP. [32] 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 del 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, formada por hadrones disueltos, presenta menos resistencia al flujo que cualquier otra sustancia conocida. Los experimentos del 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. Mediciones detalladas muestran que este líquido es un plasma de quarks y gluones donde los quarks, antiquarks y gluones fluyen de forma independiente. [33]

Representación esquemática de la región de interacción formada en los primeros momentos tras la colisión de iones pesados ​​de alta energía en el acelerador. [34]

En resumen, un plasma de quarks-gluones fluye como una salpicadura de líquido y, como no es "transparente" con respecto a los quarks, puede atenuar los chorros emitidos por las colisiones. Además, una vez formada, una bola de plasma de quarks-gluones, como cualquier objeto caliente, transfiere calor internamente mediante 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 ) . Mientras que, si el QGP no existiera y hubiera una colisión pura, la misma energía se convertiría en una mezcla en desequilibrio que contiene quarks aún más pesados, como los quarks charm o los quarks bottom . [34] [35]

La ecuación de estado es un insumo importante en las ecuaciones de flujo. La velocidad del sonido (velocidad de las oscilaciones de densidad QGP) se está investigando actualmente en cálculos de redes. [36] [37] [38] El camino libre medio de quarks y gluones se ha calculado utilizando la teoría de perturbaciones y la teoría de cuerdas . Los cálculos de la red han sido más lentos aquí, aunque los primeros cálculos de los coeficientes de transporte ya han concluido. [39] [40] Estos indican que el tiempo libre medio de 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. Se trata de un campo de investigación muy activo y estas conclusiones pueden evolucionar rápidamente. La incorporación de fenómenos disipativos a la hidrodinámica es otra área de investigación activa. [41] [42] [43]

Efecto de extinción del chorro

A finales de la década de 1970 se hicieron predicciones detalladas para la producción de jets en el sincrotrón súper protón-antiprotón del CERN . [44] [45] [46] [47] UA2 observó la primera evidencia de producción de jets en colisiones de hadrones en 1981, [48] que poco después fue confirmada por UA1 . [49]

El tema fue retomado más tarde en RHIC. Uno de los efectos físicos más sorprendentes obtenidos con las energías RHIC es el efecto de apagar los chorros. [50] [51] [52] En la primera etapa de interacción de núcleos relativistas en colisión, las partes de los núcleos en colisión dan lugar a las partes secundarias 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 del partón depende de las propiedades del plasma de quarks-gluones (temperatura, densidad). Además, también es necesario tener en cuenta el hecho de que los quarks y gluones coloreados son objetos elementales del plasma, lo que se diferencia de la pérdida de energía por parten en un medio formado por hadrones incoloros. En las condiciones de un plasma de quarks y gluones, las pérdidas de energía resultantes de las energías RHIC por parte de los partones se estiman en . Esta conclusión se confirma comparando la producción relativa de hadrones con un gran impulso transversal en colisiones nucleón-nucleón y núcleo-núcleo con la misma energía de colisión. La pérdida de energía de los partones con un gran impulso transversal en las colisiones entre núcleos es mucho menor que en las colisiones entre núcleos, lo que conduce a una disminución en la producción de hadrones de alta energía en las colisiones entre núcleos. Este resultado sugiere que las colisiones nucleares no pueden considerarse como una simple superposición de colisiones nucleón-nucleón. Durante un breve periodo de tiempo, aproximadamente 1 μs, y en el volumen final, los quarks y gluones forman un 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 quark-gluón. Las pérdidas de energía dependen de las propiedades del medio quark-gluón, de la densidad del partón 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 las mismas. [53]

En noviembre de 2010, el CERN anunció la primera observación directa del enfriamiento de chorros, basada en experimentos con colisiones de iones pesados. [54] [55] [56] [57]

Fotones directos y dileptones.

Los fotones directos y los dileptones son posiblemente las herramientas más penetrantes para estudiar las colisiones relativistas de iones pesados. Se producen mediante varios mecanismos que abarcan la evolución espacio-temporal de la bola de fuego que interactúa fuertemente. En principio, también proporcionan una instantánea de la etapa inicial. Son difíciles de descifrar e interpretar ya que la mayor parte de la señal se origina en la desintegración de hadrones mucho después de que la bola de fuego QGP se haya desintegrado. [58] [59] [60]

Hipótesis de Glasma

Desde 2008, se debate sobre un hipotético estado precursor del plasma de quarks-gluones, el llamado "Glasma", donde las partículas revestidas se condensan en una especie de estado vítreo (o amorfo), por debajo de la transición genuina entre el estado confinado y el plasma líquido. [61] Esto sería análogo a la formación de vidrios metálicos, o aleaciones amorfas de ellos, antes del inicio real del estado metálico líquido.

Aunque las altas temperaturas y densidades experimentales previstas para producir un plasma de quarks y gluones se han realizado en el laboratorio, la materia resultante no se comporta como un estado casi ideal de quarks y gluones libres, sino más bien como un fluido denso casi perfecto . . [62] En realidad, el hecho de que el plasma de quarks y gluones aún no estará "libre" a las temperaturas alcanzadas en los aceleradores actuales se predijo en 1984 como consecuencia de los efectos remanentes del confinamiento. [63] [64]

Formación en laboratorio de materia desconfinada.

Un plasma de quarks-gluones (QGP) [65] o sopa de quarks [66] [67] es un estado de la materia en cromodinámica cuántica (QCD) que existe a temperaturas y/o densidades extremadamente altas . Se cree que este estado consiste en quarks y gluones asintóticamente libres que interactúan fuertemente , que normalmente están confinados por confinamiento de color dentro de núcleos atómicos u otros hadrones. Esto es similar al plasma convencional, donde los núcleos y los electrones, confinados dentro de los átomos por fuerzas electrostáticas en las condiciones ambientales, pueden moverse libremente. Los experimentos para crear materia de quarks artificiales comenzaron en el CERN en 1986/87, lo que dio lugar a las primeras afirmaciones que se publicaron en 1991. [68] [69] Pasaron varios años antes de que la idea fuera aceptada en la comunidad de físicos nucleares y de partículas. La formación de un nuevo estado de la materia en las colisiones Pb-Pb se anunció oficialmente en el CERN en vista de los convincentes resultados experimentales presentados por el experimento CERN SPS WA97 en 1999, [70] [30] [71] y posteriormente elaborado por el Laboratorio Nacional Brookhaven. Colisionador relativista de iones pesados . [72] [73] [29] La materia de quarks sólo se puede producir en cantidades mínimas y es inestable e imposible de contener, y se desintegrará radiactivamente en una fracción de segundo en partículas estables mediante hadronización ; De este modo se pueden detectar los hadrones producidos o sus productos de desintegración y los rayos gamma . En el diagrama de fases de la materia de quarks , QGP se sitúa en el régimen de alta temperatura y alta densidad, mientras que la materia ordinaria es una mezcla fría y enrarecida de núcleos y vacío, y las hipotéticas estrellas de quarks consistirían en materia de quarks relativamente fría pero densa. . Se cree que hasta unos pocos microsegundos (10 −12 a 10 −6 segundos) después del Big Bang, conocido como época de quarks , el Universo se encontraba en un estado de plasma de quarks-gluones.

La intensidad de la fuerza del color significa que, a diferencia del plasma gaseoso, el plasma de quarks-gluones se comporta como un líquido de Fermi casi ideal , aunque se están realizando investigaciones sobre las características del flujo. [74] Los equipos de investigación del RHIC [75] y el detector Compact Muon Solenoid del LHC afirmaron que el líquido o incluso el flujo de líquido casi perfecto casi sin resistencia a la fricción o viscosidad . [76] QGP se diferencia de un evento de colisión "libre" por varias características; por ejemplo, su contenido de partículas es indicativo de un equilibrio químico temporal que produce un exceso de quarks extraños de energía media frente a una distribución de desequilibrio que mezcla quarks ligeros y pesados ​​("producción de extrañeza"), y no permite el paso de chorros de partículas ( "enfriamiento por chorro").

Los experimentos en el Súper Sincrotrón de Protones (SPS) del CERN iniciaron experimentos para crear QGP en las décadas de 1980 y 1990: los resultados llevaron al CERN a anunciar evidencia de un "nuevo estado de la materia" [77] en 2000. [78] Científicos del Laboratorio Relativista del Laboratorio Nacional Brookhaven Heavy Ion Collider anunció que había creado plasma de quarks y gluones mediante la colisión de iones de oro a casi la velocidad de la luz, alcanzando temperaturas de 4 billones de grados Celsius. [79] Los experimentos actuales (2017) en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island (Nueva York, EE. UU.) y en el reciente Gran Colisionador de Hadrones del CERN cerca de Ginebra (Suiza) continúan este esfuerzo, [80 ] [81] colisionando oro relativistamente acelerado y otras especies de iones (en RHIC) o plomo (en LHC) entre sí o con protones. [81] Tres experimentos realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en los espectrómetros ALICE , [82] ATLAS y CMS , han continuado estudiando las propiedades del QGP. El CERN dejó temporalmente de colisionar protones y comenzó a colisionar iones de plomo para el experimento ALICE en 2011, con el fin de crear un QGP. [83] ALICE: Un gran experimento de colisionador de iones en el CERN estableció un nuevo récord de temperatura en agosto de 2012 en los rangos de 5,5 billones (5,5 × 10 12 ) kelvin como se afirma en su Nature PR. [84]

La formación de un plasma de quarks y gluones se produce como resultado de una fuerte interacción entre los partones (quarks, gluones) que forman los nucleones de los núcleos pesados ​​en colisión llamados iones pesados. Por lo tanto, los experimentos se denominan experimentos relativistas de colisión de iones pesados. Los trabajos teóricos y experimentales muestran que la formación de un plasma de quarks y gluones se produce a una temperatura de T ≈ 150–160 MeV, la temperatura de Hagedorn y una densidad de energía de ≈ 0,4–1 GeV / fm 3 . Si bien al principio se esperaba una transición de fase, las interpretaciones teóricas actuales proponen una transformación de fase similar al proceso de ionización de la materia normal en plasma iónico y electrónico. [85] [86] [87] [88] [29]

Plasma de quarks-gluones y el inicio del desconfinamiento

La cuestión central de la formación de un plasma de quarks y gluones es la investigación para el inicio del desconfinamiento . Desde el comienzo de la investigación sobre la formación de QGP, la cuestión fue si se puede lograr densidad de energía en colisiones entre núcleos. Esto depende de cuánta energía pierde cada nucleón. Una imagen de reacción influyente fue la solución de escala presentada por Bjorken . [89] Este modelo se aplica a colisiones de energía ultraalta. En experimentos llevados a cabo en CERN SPS y BNL RHIC surgieron situaciones más complejas, generalmente divididas en tres etapas: [90]

Cada vez más evidencia experimental apunta a la solidez de los mecanismos de formación de QGP, que operan incluso en colisiones protón-protón a escala de energía del LHC. [27]

Otras lecturas

Libros

Artículos de revisión con una perspectiva histórica del campo.

Ver también

Referencias

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