Los hallazgos de los físicos de la Universidad de Rice que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Europa están proporcionando nuevos conocimientos sobre un estado exótico de la materia llamado "plasma de quark-gluón" que se produce cuando los protones y neutrones se derriten.

Como el acelerador de partículas más poderoso de la Tierra, el LHC es capaz de aplastar los núcleos de los átomos casi a la velocidad de la luz. La energía liberada en estas colisiones es enorme y permite a los físicos recrear el calor, densas condiciones que existían en el universo temprano. Plasma de quark-gluón, o QGP, es una sopa de partículas de alta energía que se forma cuando los protones y neutrones se derriten a temperaturas cercanas a varios billones de kelvin.

En un artículo reciente en Cartas de revisión física escrito en nombre de más de 2, 000 científicos que trabajan en el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC, Los físicos de Rice Wei Li y Zhoudunming (Kong) Tu propusieron un nuevo enfoque para estudiar una propiedad magnética característica de QGP llamada "efecto magnético quiral" (CME). Su enfoque utiliza colisiones entre protones y núcleos de plomo. CME es un fenómeno electromagnético que surge como consecuencia de la mecánica cuántica y también está relacionado con las llamadas fases topológicas de la materia, un área de la física de la materia condensada que ha atraído una mayor atención mundial desde que ganó el Premio Nobel de Física en 2016.

"Encontrar evidencia del efecto magnético quiral y, por lo tanto, las fases topológicas en la materia QGP caliente ha sido un objetivo importante en el campo de la física nuclear de alta energía durante algún tiempo, "Dijo Li." Los primeros hallazgos, aunque indicativo del CME, todavía no son concluyentes, principalmente debido a otros procesos de fondo que son difíciles de controlar y cuantificar ".

QGP se produjo por primera vez alrededor de 2000 en el Relativistic Heavy Ion Collider en Nueva York y luego en el LHC en 2010. En esos experimentos, Los físicos aplastaron dos núcleos de plomo de rápido movimiento, cada uno contiene 82 protones y 126 neutrones, los dos bloques de construcción de todos los núcleos atómicos. Debido a que cada uno de los protones que se derriten en estas colisiones tiene una carga eléctrica positiva, los QGP de estos experimentos contenían campos magnéticos enormemente fuertes, que se estima que son aproximadamente un billón de veces más fuertes que el campo magnético más fuerte jamás creado en un laboratorio.

El efecto magnético quiral es un efecto electromagnético asimétrico exótico que solo surge debido a la combinación de la mecánica cuántica y las condiciones físicas extremas en un QGP. Las leyes de la electrodinámica clásica prohibirían la existencia de tal estado, y de hecho, La inspiración de Li para los nuevos experimentos surgió al pensar en el problema en términos clásicos.

"Me inspiró un problema en un curso de pregrado que estaba enseñando sobre electrodinámica clásica, "Dijo Li.

Hace dos años, Li descubrió que las colisiones frontales en el LHC entre un núcleo de plomo y un solo protón creaban pequeñas cantidades de partículas que parecían comportarse como un líquido. En un análisis más detallado, él y sus colegas de CMS descubrieron que las colisiones estaban creando pequeñas cantidades de QGP.

En un informe de Rice News de 2015 sobre el descubrimiento, Don Lincoln, alumno de Rice, un físico de partículas y comunicador de física en Fermilab, escribió, "Este resultado fue sorprendente porque cuando el protón golpea el núcleo principal, perfora gran parte del núcleo, como disparar un rifle a una sandía (en lugar de chocar dos núcleos de plomo, que es como golpear dos sandías juntas) ".

Li dijo:"Una cosa inusual acerca de las gotas de QGP creadas en colisiones protón-plomo es la configuración de sus campos magnéticos. El QGP se forma cerca del centro del núcleo de plomo inicial, lo que hace que sea fácil decir que la fuerza del campo magnético es bastante insignificante en comparación con el QGP creado en las colisiones plomo-plomo. Como resultado, Las colisiones de protones y plomo nos brindan un medio para apagar el campo magnético, y la señal CME, en un QGP de una manera bien controlada ".

En el nuevo periódico, Li, Tu y sus colegas de CMS mostraron evidencia de datos de colisión de protón-plomo que ayuda a arrojar luz sobre los comportamientos electromagnéticos que surgen del efecto magnético quiral en los QGP de plomo-plomo.

Li dijo que aún deben resolverse más detalles antes de que se pueda sacar una conclusión definitiva. pero dijo que los resultados son un buen augurio para futuros descubrimientos de QGP en el LHC.

"Este es solo un primer paso en una nueva vía abierta por las colisiones protón-núcleo para la búsqueda de fases topológicas exóticas en QGP, ", Dijo Li." Estamos trabajando duro para acumular más datos y realizar una serie de nuevos estudios. Ojalá, en los próximos años, veremos la primera evidencia directa del efecto magnético quiral ".