Gracias a un nuevo desarrollo en la teoría de la física nuclear, Los científicos que exploran bolas de fuego en expansión que imitan el universo temprano tienen nuevos signos que buscar a medida que trazan la transición del plasma primordial a la materia tal como la conocemos. La teoría funciona descrito en un artículo publicado recientemente como una sugerencia del editor en Cartas de revisión física ( PRL ), identifica patrones clave que serían prueba de la existencia de un llamado "punto crítico" en la transición entre las diferentes fases de la materia nuclear. Como los puntos de congelación y ebullición que delimitan varias fases del agua:líquida, hielo sólido, y vapor:los puntos que los físicos nucleares buscan identificar les ayudarán a comprender las propiedades fundamentales de la estructura de nuestro universo.

Los físicos nucleares crean las bolas de fuego colisionando núcleos ordinarios, hechos de protones y neutrones, en un "destructor de átomos" llamado Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Los aplastamientos subatómicos generan temperaturas que miden billones de grados, lo suficientemente caliente como para "derretir" los protones y neutrones y liberar sus bloques de construcción internos:quarks y gluones. El colisionador esencialmente hace retroceder el reloj para recrear el "plasma de quark-gluón" (QGP) que existía justo después del Big Bang. Al rastrear las partículas que emergen de las bolas de fuego, los científicos pueden aprender acerca de las transiciones de fase nuclear, tanto la fusión como cómo los quarks y gluones se "congelan" como lo hicieron en los albores de los tiempos para formar la materia visible del mundo actual.

"Queremos comprender las propiedades de QGP, "dijo el teórico nuclear Raju Venugopalan, uno de los autores del nuevo artículo. "No sabemos cómo se podrían utilizar esas propiedades, pero hace 100 años, no sabíamos cómo usaríamos las propiedades colectivas de los electrones, que ahora forman la base de casi todas nuestras tecnologías. En aquel momento, los electrones eran tan exóticos como lo son ahora los quarks y los gluones ".

Cambio de fases

Los físicos de RHIC creen que dos tipos diferentes de cambios de fase pueden transformar el QGP caliente en protones y neutrones ordinarios. En tono rimbombante, sospechan que el tipo de cambio depende de la energía de colisión, que determina las temperaturas generadas y cuántas partículas quedan atrapadas en la bola de fuego. Esto es similar a la forma en que los puntos de congelación y ebullición del agua pueden cambiar en diferentes condiciones de temperatura y densidad de moléculas de agua. Venugopalan explicó.

En colisiones RHIC de baja energía, Los científicos sospechan que si bien se produce el cambio de fase de QGP a protones / neutrones ordinarios, ambos estados distintos (QGP y materia nuclear ordinaria) coexisten, al igual que las burbujas de vapor y agua líquida coexisten a la misma temperatura en una olla de agua hirviendo. Es como si los quarks y gluones (o moléculas de agua líquida) tuvieran que detenerse a esa temperatura y pagar un peaje antes de que puedan obtener la energía necesaria para escapar como QGP (o vapor).

A diferencia de, en colisiones de mayor energía, no hay una puerta de peaje a la temperatura de transición donde los quarks y gluones deben "detenerse". En cambio, se mueven en un camino continuo entre las dos fases.

Pero, ¿qué sucede entre estos reinos de alta y baja energía? Descubrir eso es ahora uno de los principales objetivos de lo que se conoce como "escaneo de energía del haz" en RHIC. Al chocar sistemáticamente núcleos en una amplia gama de energías, Los físicos de la colaboración STAR de RHIC están buscando evidencia de un punto especial en su mapa de estas fases nucleares y las transiciones entre ellas:el diagrama de fase nuclear.

En este llamado "punto crítico, "habría una parada de peaje, pero el costo sería de $ 0, de modo que los quarks y gluones podrían pasar de protones y neutrones a QGP muy rápidamente, casi como si toda el agua de la olla se convirtiera en vapor en un solo instante. En realidad, esto puede suceder cuando el agua alcanza su punto de ebullición a alta presión, donde la distinción entre las fases líquida y de gas comprimido se difumina hasta el punto de que las dos son prácticamente indistinguibles. En el caso de QGP, los físicos esperarían ver signos de este efecto dramático —patrones en las fluctuaciones de las partículas observadas al chocar con sus detectores— cuanto más se acercan a este punto crítico.

En experimentos ya realizados a energías intermedias, Los físicos de STAR han observado tales patrones, que pueden ser signos del punto crítico hipotetizado. Esta búsqueda continuará con mayor precisión en un rango más amplio de energías durante un segundo escaneo de energía del haz, a partir de 2019. El nuevo trabajo teórico del físico de Brookhaven Swagato Mukherjee, Venugopalan, y el ex postdoctorado Yi Yin (ahora en el MIT) —parte de una colaboración temática en teoría nuclear de Beam Energy Scan Theory (BEST) recientemente financiada— proporcionarán una hoja de ruta para guiar a los investigadores experimentales.

Postes indicadores a buscar

Ciertas características de los patrones que ocurren durante los cambios de fase son universales, no importa si está estudiando el agua, o quarks y gluones, o imanes. Pero un avance clave del trabajo de la nueva teoría fue el uso de un conjunto diferente de características universales para explicar las condiciones dinámicas del plasma de quarks-gluones en expansión.

"Todas las predicciones, la forma en que empezamos a buscar un punto crítico hasta ahora, se basaron en patrones calculados asumiendo que tienes una olla hirviendo en una estufa, un sistema algo estático, ", dijo Mukherjee." Pero QGP se está expandiendo y cambiando con el tiempo. Es más como agua hirviendo cuando fluye rápidamente a través de una tubería ".

Para tener en cuenta las condiciones cambiantes del QGP en sus cálculos, los teóricos incorporaron "universalidades dinámicas" que se desarrollaron por primera vez para describir la formación de patrones similares en la expansión cosmológica del universo mismo.

"Estas ideas se han aplicado desde entonces a otros sistemas como el helio líquido y los cristales líquidos, ", Dijo Venugopalan." Yin se dio cuenta de que los mecanismos específicos de universalidad dinámica identificados en la cosmología y los sistemas de materia condensada pueden aplicarse a la búsqueda del punto crítico en las colisiones de iones pesados. Este artículo es la primera demostración explícita de esta conjetura ".

Específicamente, el artículo predice exactamente qué patrones buscar en los datos (patrones en cómo se correlacionan las propiedades de las partículas emitidas por las colisiones) a medida que cambia la energía de las colisiones.

"Si la colaboración STAR analiza los datos de una manera particular y ve estos patrones, pueden afirmar sin ambigüedad que han visto un punto crítico, "Dijo Venugopalan.