Al extraer firmas de partículas que se desintegran a solo décimas de milímetro del centro de una bola de fuego de un billón de grados que imita el universo primitivo, Los físicos nucleares que rompen átomos en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) están revelando nuevos detalles sobre las partículas fundamentales que componen nuestro mundo.

Las colisiones de partículas en el RHIC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, recrean regularmente pequeñas especificaciones de plasma de quark-gluón (QGP), una mezcla de quarks y gluones, los bloques de construcción fundamentales de la materia visible, que existió por última vez como partículas libres hace unos 14 mil millones de años. Las colisiones liberan a los quarks y gluones de su confinamiento dentro de partículas ordinarias (p. Ej., protones y neutrones) para que los físicos nucleares puedan estudiar sus interacciones y la fuerza que los mantiene unidos en el universo actual.

Las nuevas medidas, descrito en un artículo recién publicado en Cartas de revisión física , son los primeros en provenir de una actualización de precisión al detector STAR de RHIC conocido como "Heavy Flavor Tracker" (HFT). Específicamente, el artículo da detalles sobre la primera medición directa en RHIC de cómo un tipo de partícula pesada que contiene un quark "encanto" queda atrapado en el flujo de la bola de fuego en expansión. Esta medición, un testimonio de las capacidades del HFT, brinda a los científicos una nueva ventana para comprender las interacciones de las partículas que componen la sopa subatómica.

"Al comparar nuestras mediciones con predicciones teóricas que incluyen los diversos parámetros que juegan un papel en estas interacciones, cosas como el coeficiente de difusión (qué tan rápido se esparcen los quarks encantadores por el plasma) y la viscosidad (qué tan pegajoso es el QGP), podemos aprender sobre cómo estas diferentes propiedades se relacionan entre sí, y, en última instancia, por qué QGP se comporta como lo hace, "dijo el físico de Brookhaven Flemming Videbaek, el director de proyecto responsable de la fabricación general del STAR HFT.

Seguimiento de partículas de precisión

Las partículas que contienen quarks pesados ​​se consideran sondas ideales para comprender el plasma de quarks-gluones porque pueden interactuar de manera diferente con el plasma que los quarks ligeros. ofreciendo pistas sutiles sobre sus propiedades. Pero el QGP escupe partículas que contienen quarks pesados ​​solo en raras ocasiones, entre miles de otras partículas hechas de las variedades más ligeras de quarks. Las pocas partículas pesadas que emergen se descomponen en otras partículas casi instantáneamente, meras fracciones de milímetro de la bola de fuego QGP en la que fueron creadas. Esta rareza y la rápida descomposición dificultan la detección de partículas pesadas.

HFT de STAR, un dispositivo de seguimiento de última generación que ahora se encuentra en el centro del detector del tamaño de una casa, fue diseñado para rastrear las escurridizas pero importantes partículas pesadas. Desarrollado por físicos nucleares del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el HFT es el primer detector de silicio en un colisionador que utiliza la tecnología Monolithic Active Pixel Sensor, la misma tecnología que se utiliza en las cámaras digitales. Los sensores ultradelgados, a diferencia de muchos de los componentes de detección de partículas de STAR, se encuentran muy cerca de la luz de baliza central en la que tienen lugar las colisiones. Si bien no está lo suficientemente cerca para detectar el quark de encanto pesado en sí, esta ubicación y la alta resolución del detector (360 millones de píxeles que miden 20 x 20 micrones cada uno) le permiten detectar signos de la descomposición de las partículas pesadas.

Para este estudio en particular, Los físicos de STAR estaban rastreando partículas llamadas kaones y piones que emergen cuando las partículas que contienen quarks encantadores, conocidas como D-ceros, se desintegran. Un esfuerzo concertado de muchos grupos de colaboración, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Universidad Estatal de Kent, y la Universidad de Illinois en Chicago, hicieron que este análisis fuera exitoso en poco tiempo.

"Usamos el HFT para buscar kaones y piones que estén muy cerca unos de otros, dentro de fracciones de milímetro entre sí, cuyas trayectorias desde la colisión emergen de un único punto alejado del vértice de la colisión. pero no muy lejos alrededor de 100-500 micrones, "Dijo Videbaek. Esa es la distancia que viajan los D0 antes de descomponerse, él explicó. Si el kaon y el pion tienen la masa y las trayectorias correctas que emergen de tal punto, los científicos pueden concluir que se originaron a partir de un D0 en ese lugar y utilizar estas medidas para rastrear la aparición de D0 en todo el QGP.

"La precisión de nuestra medición no tiene precedentes, "dijo Xin Dong, un físico en Berkeley Lab que dirigió a los postdoctorados y estudiantes que llevaron a cabo el análisis de física sobre los resultados de sabor fuerte. "Fue extremadamente desafiante debido a la interferencia de miles de otras partículas producidas en las mismas colisiones de iones pesados, un poco como sacar una aguja de un pajar".

Interacciones de flujo libre

Los hallazgos, basados ​​en un análisis de decenas de miles de tales "agujas" en 1.100 millones de colisiones, fueron algo sorprendentes.

Piense en la forma que se crea cuando dos iones de oro esféricos chocan fuera del centro formando una superposición oblonga, algo así como una pelota de fútbol de punta. Los físicos de STAR encontraron más D0 emergiendo de la parte gruesa del "balón de fútbol" que de sus extremos puntiagudos. Este patrón de "flujo elíptico" era familiar a partir de las mediciones de partículas más ligeras que emergen del QGP. Pero los físicos nucleares inicialmente no esperaban que partículas tan pesadas quedaran atrapadas en el flujo.

"Los D0 se crean en la primera parte de la colisión, cuando los quarks y gluones están libres, ", Dijo Videbaek." Los físicos no creían que estas partículas de quarks pesados ​​tuvieran tiempo de interactuar, o equilibrar, con el QGP, que existe sólo durante una fracción de segundo infinitesimalmente pequeña ".

En lugar de, el hecho de que los quarks pesados ​​exhiban el mismo flujo elíptico que las partículas más livianas es evidencia de que están en equilibrio, interactuando con los quarks y gluones libres en el QGP.

"El tipo de flujo que observamos para las partículas con quarks pesados ​​sugiere que sus interacciones dentro del plasma de quarks y gluones son tan fuertes que los mismos quarks pesados ​​se convierten en parte de la sopa de quarks y gluones". '", dijo Dong.

Grazyna Odyniec, líder del Programa de Colisiones Nucleares Relativistas de Berkeley Lab, adicional, "El descubrimiento del flujo elíptico de un quark encanto muy masivo es de fundamental importancia para nuestra comprensión de la dinámica de la fase plasmática de quark-gluón. Abre una amplia gama de especulaciones teóricas sobre la naturaleza de un posible mecanismo (o mecanismos) detrás de esto observación."

El físico de Brookhaven Lab y portavoz de la colaboración STAR, Zhangbu Xu, señaló que la capacidad de rastrear el flujo y la difusión de las partículas pesadas les da a los físicos nucleares una nueva forma de "ver" y estudiar las interacciones de los quarks y gluones que se mueven libremente y otras propiedades del QGP. —Algo análogo a la forma en que los científicos del siglo pasado rastrearon las vibraciones de los granos de polen en el agua para conocer sus propiedades.

"Einstein demostró en 1905 que existen átomos y moléculas, y que podríamos usar el llamado movimiento browniano de los granos de polen para medir las propiedades del fluido y otras constantes físicas fundamentales, ", Dijo Xu." Ahora podemos usar los quarks encantadores como los granos de polen para medir el flujo y otras propiedades del QGP ".