Al principio, el universo era un crisol supercaliente que sirvió brevemente una sopa de partículas que se asemeja a un "perfecto, "fluido sin fricción. Los científicos han recreado esta" sopa, "conocido como plasma de quark-gluón, en colisiones nucleares de alta energía para comprender mejor los orígenes de nuestro universo y la naturaleza de la materia misma. La física también puede ser relevante para las estrellas de neutrones, que son los núcleos extraordinariamente densos de estrellas colapsadas.

Ahora, poderosas simulaciones de supercomputadora de núcleos atómicos en colisión, realizado por un equipo internacional de investigadores que incluye a un físico de Berkeley Lab, proporcionar nuevos conocimientos sobre la torsión, estructura en forma de remolino de esta sopa y lo que funciona dentro de ella, y también ilumina un camino hacia cómo los experimentos podrían confirmar estas características. El trabajo se publica en la edición del 1 de noviembre de Cartas de revisión física .

Importar, deconstruido

Esta sopa contiene los ingredientes deconstruidos de la materia, a saber, partículas fundamentales conocidas como quarks y otras partículas llamadas gluones que normalmente se unen a los quarks para formar otras partículas, como los protones y neutrones que se encuentran en los núcleos de los átomos. En este exótico estado de plasma, que puede alcanzar billones de grados Fahrenheit, cientos de miles de veces más caliente que el núcleo del sol:los protones y neutrones se derriten, liberando quarks y gluones de sus confines habituales en el centro de los átomos.

Estas temperaturas récord se han logrado mediante la colisión de núcleos de oro en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, por ejemplo, y núcleos de plomo en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN. Los experimentos del RHIC descubrieron en 2005 que el plasma de quarks y gluones se comporta como un fluido. Además de los núcleos de oro, RHIC también se ha utilizado para colisionar protones, cobre y uranio. El LHC comenzó a realizar experimentos con iones pesados ​​en 2014, y ha confirmado que el plasma de quark-gluón se comporta como un fluido.

Quedan muchos misterios sobre el funcionamiento interno de este estado de plasma de corta duración, que puede haber existido solo por millonésimas de segundo en el universo recién nacido, y los físicos nucleares están utilizando una combinación de teoría, simulaciones y experimentos para obtener nuevos detalles sobre esta sopa subatómica.

Sorprendente complejidad en la estructura del plasma

"En nuestras sofisticadas simulaciones, Descubrimos que hay mucha más estructura en este plasma de lo que pensamos, "dijo Xin-Nian Wang, un teórico de la División de Ciencias Nucleares del Berkeley Lab que ha trabajado durante años en la física de las colisiones nucleares de alta energía.

Cuando se traza en dos dimensiones, las simulaciones encontraron que las colisiones ligeramente descentradas de núcleos pesados ​​producen un fluido que se tambalea y se expande, Wang dijo:con rotación local que se retuerce en forma de sacacorchos.

Este carácter de sacacorchos se relaciona con las propiedades de los núcleos en colisión que crearon el plasma, que la simulación mostró expandiéndose a lo largo y perpendicular a la dirección del haz. Como hacer girar una moneda moviéndola con el dedo, las simulaciones mostraron que las propiedades del momento angular de los núcleos en colisión pueden transferir propiedades de espín al plasma de quark gluón en forma de remolino, estructuras en forma de anillo conocidas como vórtices.

Las simulaciones mostraron dos de estos vórtices en forma de rosquilla, cada uno con una orientación hacia la derecha alrededor de cada dirección de los haces separados de los núcleos en colisión, y también muchos pares de vórtices de orientación opuesta a lo largo de la dimensión más larga del plasma. Estas características en forma de rosquilla son análogas a los aros de humo en remolino y son una característica común en los estudios clásicos de fluidos. un campo conocido como hidrodinámica.

Las simulaciones también revelaron un flujo hacia afuera modelado de puntos calientes en el plasma que se asemejan a los radios de una rueda. La escala de tiempo cubierta en la simulación era infinitesimalmente pequeña, Wang dijo:aproximadamente la cantidad de tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia de 10 a 20 protones. Durante este tiempo, el fluido tambaleante explota como una bola de fuego, chorreando la sopa de partículas hacia afuera desde su centro más rápidamente que desde su parte superior.

Cualquier nueva comprensión de las propiedades del plasma de quark-gluón debería ser útil para interpretar los datos de los experimentos de colisión de núcleos. Wang dijo:señalando que la aparición de varias estructuras localizadas en forma de rosquilla en las simulaciones fue "completamente inesperada".

Desentrañando un misterio

"Podemos pensar en esto como abrir una ventana completamente nueva para observar los plasmas de quark-gluones, y como estudiarlos, ", dijo." Con suerte, esto proporcionará otra puerta de entrada para comprender por qué este fluido de quark-gluón es un fluido tan perfecto; la naturaleza de por qué esto es así sigue siendo un enigma. Este trabajo beneficiará no solo a la teoría, sino también experimentos ".

Las simulaciones proporcionan más evidencia de que el plasma de quark-gluón se comporta como un fluido, y no un gas como se había teorizado una vez. "La única forma de describir esto es tener una viscosidad muy pequeña, "o casi ninguna fricción, una característica de un llamado 'fluido perfecto' o 'fluido fundamental, '", Dijo Wang. Pero a diferencia de un fluido familiar como el agua, la simulación se centra en un estado fluido cientos de veces más pequeño que una molécula de agua.

Michael Lisa, un profesor de física en la Universidad Estatal de Ohio que es parte de la colaboración que apoya al Solenoidal Tracker en RHIC (STAR), dijo que la llamada vorticidad o "estructura de remolino" de este plasma nunca se ha medido experimentalmente, aunque este último trabajo teórico puede ayudar a enfocarlo. STAR está diseñado para estudiar la formación y características del plasma de quarks-gluones.

"Wang y sus colaboradores han desarrollado un sofisticado modelo hidrodinámico de última generación del plasma de quark-gluón y han identificado estructuras arremolinadas que varían dentro del propio fluido, ", dijo." Aún más útil es el hecho de que proponen un método para medir estas estructuras en el laboratorio ".

Lisa también dijo que hay un trabajo de análisis en curso para confirmar los hallazgos de la simulación en datos de experimentos en RHIC y el LHC. "Son precisamente innovaciones como esta, donde la teoría y el experimento colaboran para explorar nuevos fenómenos, que albergan la mayor esperanza de una mayor comprensión del plasma de quarks-gluones, " él dijo.

"Se han utilizado muchas herramientas para probar la mecánica de trabajo interna y las propiedades de simetría de esta materia única, "dijo Zhangbu Xu, un portavoz de la colaboración STAR y un científico del personal del Laboratorio Nacional de Brookhaven. También dijo que los resultados preliminares de STAR también sugieren algún movimiento giratorio en el fluido, y el trabajo de simulación "añade una nueva dimensión" a esta posibilidad.