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Plasma de quarks y gluones

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

El plasma de quarks y gluones ( QGP o sopa de quarks ) es un conjunto localizado de quarks y gluones en interacción en equilibrio térmico (cinético local) y (casi) químico (de abundancia). La palabra plasma indica que se permiten cargas de color libres. En un resumen de 1987, Léon Van Hove señaló la equivalencia de los tres términos: plasma de quarks y 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 masas de quarks u,d ligeros— la presión exhibe el formato relativista de Stefan-Boltzmann gobernado por la temperatura a la cuarta potencia ( ) y muchos constituyentes de quarks y gluones prácticamente sin masa. Se puede decir que el QGP emerge como la nueva fase de materia fuertemente interactuante 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 (de rendimiento) con su carga de color abierta para que un nuevo estado de la materia pueda ser denominado QGP.

En la teoría del Big Bang, el plasma de quarks y gluones llenaba todo el Universo antes de que se creara la materia tal como la conocemos. Las teorías que predicen la existencia del plasma de quarks y gluones se desarrollaron a finales de los años 1970 y principios de los años 1980. [3] A continuación, se debatieron los experimentos 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 en el BNL [15] [16] en los años siguientes. El plasma de quarks y gluones [17] [18] se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000. [19] [20] [21]

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

Introducción general

El plasma de quarks y gluones es un estado de la materia en el que las partículas elementales que componen los hadrones de la materia bariónica se liberan de su fuerte atracción mutua 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 de la QCD, mientras que los quarks por sí mismos son sus contrapartes de materia fermiónica.

El plasma de quarks y gluones se estudia para recrear y comprender las condiciones de alta densidad energética 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 . Los grupos experimentales están investigando a una distancia "grande" la estructura de vacío cuántico (des)confinante , que determina la forma predominante de la materia y las leyes de la naturaleza. Los experimentos brindan información sobre el origen de la materia y la masa: la materia y la antimateria se crean cuando el plasma de quarks y gluones se "hadroniza" y la masa de la materia se origina en la estructura de vacío confinante. [19]

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

La QCD es una parte de la teoría moderna de la física de partículas llamada Modelo Estándar . Otras partes de esta teoría tratan de las interacciones electrodébiles y los neutrinos . La teoría de la electrodinámica ha sido probada y se ha encontrado correcta hasta unas pocas partes en mil millones. La teoría de las interacciones débiles ha sido probada y se ha encontrado correcta hasta unas pocas partes en mil. Las formas perturbativas de QCD se han probado hasta 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. En contraste, las formas no perturbativas de QCD apenas se han probado. El estudio del QGP, que tiene una temperatura y una densidad altas, 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 temperatura finita , 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 de física 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 y gluones

El modelo generalmente aceptado de la formación del Universo establece que se produjo 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 ese momento en condiciones de laboratorio para estudiar las características del Universo muy 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 el volumen aproximadamente igual al volumen del núcleo atómico, es posible modelar la densidad y temperatura que existían en los primeros instantes de la vida del Universo.

Relación con el plasma normal

Un plasma es materia en la que las cargas se encuentran apantalladas debido a la presencia de otras cargas móviles. Por ejemplo: la ley de Coulomb se suprime mediante el apantallamiento 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, la carga de color de los quarks y gluones se encuentra apantallada. 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 se encuentra apantallado, por lo que un volumen de QGP debe seguir siendo neutro en cuanto al color. Por lo tanto, como un núcleo, tendrá una carga eléctrica entera.

Debido a las altísimas energías involucradas, los pares quark-antiquark se producen mediante la producción de pares y, por lo tanto, QGP es una mezcla aproximadamente igual de quarks y antiquarks de diversos sabores, con solo 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 (consulte sin embargo la 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 la QED. Como resultado, las principales herramientas teóricas para explorar la teoría del QGP son la teoría de calibración de red . [24] [25] La temperatura de transición (aproximadamente175  MeV ) fue predicha por primera vez por la teoría de calibres reticulares. Desde entonces, la teoría de calibres reticulares se ha utilizado para predecir muchas otras propiedades de este tipo de materia. La conjetura de correspondencia AdS/CFT puede proporcionar información sobre QGP; además, el objetivo final de la correspondencia fluido/gravedad es comprender QGP. Se cree que QGP es una fase de QCD que está completamente termalizada localmente y, por lo tanto, es adecuada para una descripción fluida dinámica eficaz.

Producción

La producción de QGP en el laboratorio se logra al colisionar núcleos atómicos pesados ​​(llamados iones pesados, ya que en un acelerador los átomos están ionizados) 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 que excede 1,66 × 10 12 K. Esto se puede lograr al colisionar dos núcleos grandes a alta energía (tenga en cuenta que175 MeV no es la energía del haz en colisión). Se han utilizado núcleos de plomo y oro para tales colisiones en CERN SPS y BNL RHIC , respectivamente. Los núcleos se aceleran a velocidades ultrarrelativistas ( contrayendo su longitud ) y se dirigen uno hacia el otro, 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 experimentalistas pusieron a prueba la teoría.

Herramientas de diagnóstico

Existe evidencia abrumadora de producción de plasma de quarks y gluones en colisiones de iones pesados ​​relativistas. [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] Este "cruce" puede no ser sólo una característica cualitativa, sino que puede estar relacionado con una verdadera transición de fase (de segundo orden) , por ejemplo, de la clase de universalidad del modelo tridimensional de Ising . Los fenómenos implicados corresponden a una densidad de energía de un poco menos de1  GeV /fm 3 . 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 reticulares y se ha comparado con la teoría de perturbaciones y la teoría de cuerdas . Este es todavía un tema de investigación activa. Actualmente se están calculando funciones de respuesta como el calor específico y varias susceptibilidades de números de quarks.

Fluir

El descubrimiento del líquido perfecto fue un punto de inflexión en la física. Los experimentos en el RHIC han revelado una gran cantidad de información sobre esta notable 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 más, en un gas de bariones y mesones (hadrones). A la temperatura crítica, T H , los hadrones se funden y el gas se convierte nuevamente en líquido. Los experimentos del RHIC han demostrado que este es el líquido más perfecto jamás observado en un experimento de laboratorio a cualquier escala. La nueva fase de la materia, que consiste en hadrones disueltos, exhibe menos resistencia al flujo que cualquier otra sustancia conocida. Los experimentos en el RHIC ya han demostrado en 2005 que el Universo en su comienzo 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. Las mediciones detalladas muestran que este líquido es un plasma de quarks y gluones donde los quarks, antiquarks y gluones fluyen independientemente. [33]

Representación esquemática de la región de interacción formada en los primeros momentos después de la colisión de iones pesados ​​con altas energías en el acelerador. [34]

En resumen, un plasma de quarks y 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 y gluones, como cualquier objeto caliente, transfiere calor internamente por radiación. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en los objetos cotidianos, hay suficiente energía disponible para que los gluones (partículas que median la interacción 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 de no equilibrio que contuviera 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 del QGP) está actualmente bajo investigación en los cálculos de red. [36] [37] [38] El camino libre medio de los quarks y gluones se ha calculado utilizando la teoría de perturbaciones así como la teoría de cuerdas . Los cálculos de red han sido más lentos aquí, aunque se han concluido los primeros cálculos de los coeficientes de transporte . [39] [40] Estos indican que el tiempo libre medio de los quarks y gluones en el QGP puede ser comparable al espaciamiento promedio entre partículas: por lo tanto, el QGP es un líquido en lo que respecta a sus propiedades de flujo. Este es un campo de investigación muy activo, y estas conclusiones pueden evolucionar rápidamente. La incorporación de fenómenos disipativos en la hidrodinámica es otra área de investigación activa. [41] [42] [43]

Efecto de extinción del chorro

A finales de los años 1970 se realizaron predicciones detalladas sobre la producción de chorros en el Super Sincrotrón Protón-Antiprotón del CERN . [44] [45] [46] [47] UA2 observó la primera evidencia de producción de chorros en colisiones de hadrones en 1981, [48] que poco después fue confirmada por UA1 . [49]

El tema fue revivido más tarde en el RHIC. Uno de los efectos físicos más sorprendentes obtenidos a las energías del RHIC es el efecto de extinción de chorros. [50] [51] [52] En la primera etapa de interacción de los núcleos relativistas en colisión, los partones de los núcleos en colisión dan lugar a los partones secundarios 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 por parte del partón depende de las propiedades del plasma de quarks y gluones (temperatura, densidad). Además, también es necesario tener en cuenta el hecho de que los quarks y gluones coloreados son los objetos elementales del plasma, lo que difiere de la pérdida de energía por parte de un partón en un medio que consiste en hadrones incoloros. Bajo las condiciones de un plasma de quarks y gluones, las pérdidas de energía resultantes de las energías del RHIC por parte de los partones se estiman como ⁠ ⁠ . Esta conclusión se confirma comparando el rendimiento relativo de hadrones con un gran impulso transversal en colisiones nucleón-nucleón y núcleo-núcleo a la misma energía de colisión. La pérdida de energía por partones con un gran impulso transversal en colisiones nucleón-nucleón es mucho menor que en colisiones núcleo-núcleo, lo que conduce a una disminución en el rendimiento de hadrones de alta energía en colisiones núcleo-núcleo. Este resultado sugiere que las colisiones nucleares no pueden considerarse como una simple superposición de colisiones nucleón-nucleón. Durante un corto tiempo, ~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 como un todo. 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 de partones 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 de extinción 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, sin duda, las herramientas más penetrantes para estudiar las colisiones relativistas de iones pesados. Se producen por diversos 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 a partir de desintegraciones de hadrones mucho después de que la bola de fuego QGP se haya desintegrado. [58] [59] [60]

Hipótesis de Glasma

Desde 2008, existe una discusión sobre un hipotético estado precursor del plasma de quarks y 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 líquido del plasma. [61] Esto sería análogo a la formación de vidrios metálicos, o aleaciones amorfas de ellos, por debajo del inicio genuino del estado metálico líquido.

Aunque las altas temperaturas y densidades experimentales predichas como productoras de un plasma de quarks y gluones se han realizado en el laboratorio, la materia resultante no se comporta como un estado cuasi 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 será "libre" a las temperaturas alcanzadas en los aceleradores actuales fue predicho en 1984, como consecuencia de los efectos remanentes del confinamiento. [63] [64]

Estrellas de neutrones

Se ha planteado la hipótesis de que el núcleo de algunas estrellas de neutrones masivas puede ser un plasma de quarks y gluones. [65]

Formación de materia desconfinada en laboratorio

Un plasma de quarks y gluones (QGP) [66] o sopa de quarks [67] [68] es un estado de la materia en cromodinámica cuántica (QCD) que existe a una temperatura y/o densidad extremadamente altas . Se cree que este estado consiste en quarks y gluones de interacción fuerte asintóticamente libres , que normalmente están confinados por confinamiento de color dentro de núcleos atómicos u otros hadrones. Esto es análogo al plasma convencional donde los núcleos y electrones, confinados dentro de átomos por fuerzas electrostáticas en condiciones ambientales, pueden moverse libremente. Los experimentos para crear materia de quarks artificiales comenzaron en el CERN en 1986/87, lo que dio como resultado las primeras afirmaciones que se publicaron en 1991. [69] [70] 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 colisiones Pb–Pb fue anunciada oficialmente en el CERN en vista de los convincentes resultados experimentales presentados por el experimento CERN SPS WA97 en 1999, [71] [30] [72] y posteriormente elaborados por el Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory . [73] [74] [29] La materia de quarks solo se puede producir en cantidades minúsculas y es inestable e imposible de contener, y se desintegrará radiactivamente en una fracción de segundo en partículas estables a través de la hadronización ; los hadrones producidos o sus productos de desintegración y los rayos gamma pueden detectarse entonces. En el diagrama de fases de la materia de quarks , QGP se coloca 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, conocida como la época de los quarks , el Universo estaba en un estado de plasma de quarks y gluones.

La fuerza de la fuerza de color significa que, a diferencia del plasma similar al gas, el plasma de quarks y gluones se comporta como un líquido de Fermi casi ideal , aunque la investigación sobre las características del flujo está en curso. [75] Los equipos de investigación del RHIC [76] y del detector Compact Muon Solenoid del LHC afirmaron que existe un flujo líquido o incluso casi perfecto con casi ninguna resistencia por fricción o viscosidad . [77] 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 no equilibrio que mezcla quarks ligeros y pesados ​​("producción de extrañeza"), y no permite que pasen chorros de partículas ("extinción de chorros").

Los experimentos en el Super Sincrotrón de Protones (SPS) del CERN comenzaron los experimentos para crear QGP en los años 1980 y 1990: los resultados llevaron al CERN a anunciar evidencia de un "nuevo estado de la materia" [78] en 2000. [79] Los científicos del Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas del Laboratorio Nacional de Brookhaven anunciaron que habían creado plasma de quarks y gluones al colisionar iones de oro a casi la velocidad de la luz, alcanzando temperaturas de 4 billones de grados Celsius. [80] Los experimentos actuales (2017) en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC) del Laboratorio Nacional de 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, [81] [82] al colisionar oro acelerado relativistamente y otras especies de iones (en el RHIC) o plomo (en el LHC) entre sí o con protones. [82] Tres experimentos que se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en los espectrómetros ALICE , [83] ATLAS y CMS , han continuado estudiando las propiedades del QGP. El CERN dejó de colisionar protones temporalmente y comenzó a colisionar iones de plomo para el experimento ALICE en 2011, con el fin de crear un QGP. [84] Un nuevo récord de temperatura fue establecido por ALICE: A Large Ion Collider Experiment en el CERN en agosto de 2012 en el rango de 5,5 billones (5,5 × 10 12 ) kelvin como se afirma en su Nature PR. [85]

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 la 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. [86] [87] [88] [89] [29]

El plasma de quarks y gluones y el inicio del desconfinamiento

La cuestión central de la formación de un plasma de quarks y gluones es la investigación del inicio del desconfinamiento . Desde el comienzo de la investigación sobre la formación de QGP, la cuestión era si se podía lograr la densidad de energía en las colisiones núcleo-núcleo. Esto depende de cuánta energía pierde cada nucleón. Una imagen de reacción influyente fue la solución de escala presentada por Bjorken . [90] Este modelo se aplica a colisiones de energía ultraalta. En experimentos realizados en CERN SPS y BNL RHIC surgieron situaciones más complejas, generalmente divididas en tres etapas: [91]

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

Lectura adicional

Libros

Artículos de revisión con una perspectiva histórica del campo.

Véase también

Referencias

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