A muy altas energías, la colisión de núcleos atómicos masivos en un acelerador genera cientos o incluso miles de partículas que sufren numerosas interacciones. Físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, Polonia, han demostrado que el curso de este complejo proceso se puede representar mediante un modelo sorprendentemente simple:la materia extremadamente caliente se aleja del punto de impacto, extendiéndose a lo largo de la trayectoria de vuelo original en rayas, y cuanto más lejos esté la racha del plano de la colisión, cuanto mayor sea su velocidad.

Cuando dos núcleos atómicos masivos chocan a altas energías, se forma la forma más exótica de materia:un plasma de quark-gluón que se comporta como un fluido perfecto. Estas consideraciones teóricas muestran que después del impacto, el plasma se forma en rayas a lo largo de la dirección del impacto, moviéndose más rápido cuanto más se aleja del eje de colisión. El modelo, sus predicciones y las implicaciones para los datos experimentales hasta ahora se presentan en la revista Revisión física C .

Las colisiones de núcleos atómicos ocurren extremadamente rápido y a distancias de meramente cientos de femtómetros (es decir, cientos de millonésimas de mil millonésimas de metro). Las condiciones físicas son excepcionalmente sofisticadas, y la observación directa del fenómeno no es posible actualmente. En tales situaciones, la ciencia se las arregla construyendo modelos teóricos y comparando sus predicciones con los datos recopilados en experimentos. En el caso de estas colisiones, sin embargo, una gran desventaja es que el conglomerado de partículas resultante es el plasma de quark-gluón. Las interacciones entre quarks y gluones están dominadas por fuerzas que son tan fuertes y complejas que la física moderna no es capaz de describirlas con precisión.

"Nuestro grupo decidió centrarse en los fenómenos electromagnéticos que ocurren durante la colisión porque son mucho más fáciles de expresar en el lenguaje de las matemáticas. Como resultado, Nuestro modelo demostró ser lo suficientemente simple como para que pudiéramos emplear los principios de conservación de la energía y el impulso sin demasiados problemas. Mas tarde, encontramos que a pesar de las simplificaciones adoptadas, las predicciones del modelo siguen siendo al menos un 90 por ciento coherentes con los datos experimentales, "dice el Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN).

Núcleos atómicos masivos acelerados a altas velocidades, observado en el laboratorio, se aplanan en la dirección del movimiento como resultado de los efectos de la teoría de la relatividad. Cuando dos de estos 'panqueques' de protones y neutrones vuelan uno hacia el otro, la colisión generalmente no es central:solo algunos de los protones y neutrones de un núcleo llegan al otro, entrar en interacciones violentas y formar el plasma de quark-gluón. Al mismo tiempo, algunos de los fragmentos externos de los panqueques nucleares no encuentran ningún obstáculo en su camino, y continúan su vuelo ininterrumpido; en la jerga de los físicos, se les llama "espectadores".

"Nuestro trabajo se inspiró en los datos recopilados en experimentos anteriores con colisiones nucleares, incluidos los realizados en el acelerador SPS. Los efectos electromagnéticos que ocurren en estas colisiones que examinamos mostraron que el plasma de quark-gluón se mueve a mayor velocidad cuanto más cerca está de los espectadores. "dice el Dr. Rybicki.

Para reproducir este curso del fenómeno, los físicos de la FIP PAN decidieron dividir los núcleos a lo largo de la dirección del movimiento en una serie de tiras:"ladrillos". Cada núcleo en la sección transversal se veía así como una pila de ladrillos apilados (en el modelo, su altura era de un femtómetro). En lugar de considerar las complejas interacciones fuertes y los flujos de impulso y energía entre cientos y miles de partículas, el modelo redujo el problema a varias docenas de colisiones paralelas, cada uno ocurre entre dos ladrillos protón-neutrón.

Los científicos de IFJ PAN confrontaron las predicciones del modelo con datos recolectados de colisiones de núcleos masivos medidos por el experimento NA49 en el Super Proton Synchrotron (SPS). Este acelerador se encuentra en la Organización Europea de Investigación Nuclear CERN, cerca de Ginebra, donde una de sus tareas más importantes ahora es acelerar las partículas disparadas al acelerador del LHC.

"Debido a la magnitud de las dificultades técnicas, Los resultados del experimento NA49 están sujetos a incertidumbres de medición específicas que son difíciles de reducir o eliminar por completo. En realidad, la precisión de nuestro modelo puede ser incluso mayor que el 90 por ciento ya mencionado. Esto nos da derecho a decir que incluso si hubiera alguna adicional, todavía no incluido, mecanismos físicos en las colisiones, ya no deberían afectar significativamente el marco teórico del modelo, "dice el estudiante de doctorado Miroslaw Kielbowicz (IFJ PAN).

Después de desarrollar el modelo de colisiones de 'pilas de ladrillos, 'los investigadores del PAN de la FIP descubrieron que una estructura teórica muy similar, llamado el 'modelo de racha de fuego, 'ya había sido propuesto por un grupo de físicos del Laboratorio Lawrence Berkeley (EE.UU.) y el Centro de Investigación Nuclear Saclay en Francia en 1978.

"El modelo anterior de rayas de fuego que, De hecho, que mencionamos en nuestra publicación, fue construido para describir otras colisiones que ocurren a energías más bajas. Hemos creado nuestra estructura de forma independiente y para un rango energético diferente, "dice el profesor Antoni Szczurek (IFJ PAN, University of Rzeszow) y enfatiza:"La existencia de dos modelos independientes basados ​​en una idea física similar y correspondientes a mediciones en diferentes rangos de energía de colisiones aumenta la probabilidad de que la base física sobre la que se construyen estos modelos sea correcta".

El modelo de racha de fuego de Cracovia proporciona nueva información sobre la expansión del plasma de quarks-gluones en colisiones de alta energía de núcleos atómicos masivos. El estudio de estos fenómenos se está ampliando aún más en el marco de otro experimento internacional, NA61 / SHINE en el acelerador SPS.