Las colisiones de partículas que recrean el plasma de quark-gluón (QGP) que llenó el universo temprano revelan que las gotas de esta sopa primordial se arremolinan mucho más rápido que cualquier otro fluido. El nuevo análisis de datos del Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, muestra que la "vorticidad" del QGP supera la dinámica de fluidos arremolinados de super núcleos de tornado de células y la Gran Mancha Roja de Júpiter en muchos órdenes de magnitud, e incluso supera el récord de giro más rápido que tienen las nanogotas de helio superfluido.

Los resultados, recién publicado en Naturaleza , agregue un nuevo récord a la lista de propiedades notables atribuidas al plasma de quark-gluón. Esta sopa hecha de los bloques de construcción fundamentales de la materia, quarks y gluones, tiene una temperatura cientos de miles de veces más caliente que el centro del sol y una viscosidad ultrabaja. o resistencia a fluir, lo que lleva a los físicos a describirlo como "casi perfecto". Al estudiar estas propiedades y los factores que las controlan, Los científicos esperan descubrir los secretos de la fuerza más fuerte y menos entendida de la naturaleza:la responsable de unir quarks y gluones en los protones y neutrones que forman la mayor parte de la materia visible en el universo actual.

Específicamente, los resultados sobre la vorticidad, o movimiento de fluido arremolinado, ayudará a los científicos a clasificar entre diferentes descripciones teóricas del plasma. Y con más datos, puede darles una forma de medir la fuerza del campo magnético del plasma, una variable esencial para explorar otros fenómenos físicos interesantes.

"Hasta ahora, La gran historia que caracteriza al QGP es que es un fluido caliente que se expande explosivamente y fluye fácilmente. "dijo Michael Lisa, físico de la Universidad Estatal de Ohio (OSU) y miembro de la colaboración STAR de RHIC. "Pero queremos entender este fluido a un nivel mucho más fino. ¿Se termaliza, o alcanzar el equilibrio, lo suficientemente rápido como para formar vórtices en el propio fluido? Y de ser así, ¿Cómo responde el fluido a la vorticidad extrema? "El nuevo análisis, que fue dirigido por Lisa y el estudiante graduado de OSU Isaac Upsal, le da a STAR una forma de llegar a esos detalles más finos.

Alineación de giros

"La teoría es que si tengo un fluido con vorticidad, una subestructura giratoria, tiende a alinear los giros de las partículas que emite en la misma dirección que los remolinos, "Lisa dijo. Y, si bien puede haber muchos pequeños remolinos dentro del QGP, todos apuntando en direcciones aleatorias, en promedio, sus giros deben alinearse con lo que se conoce como el momento angular del sistema:una rotación del sistema generada por las partículas en colisión a medida que pasan unas sobre otras casi a la velocidad de la luz.

Para rastrear las partículas giratorias y el momento angular, Los físicos de STAR correlacionaron mediciones simultáneas en dos componentes de detector diferentes. El primero, conocido como los contadores Beam-Beam, sentarse en los extremos delantero y trasero del detector STAR del tamaño de una casa, captando sutiles desviaciones en las trayectorias de las partículas en colisión cuando pasan unas a otras. El tamaño y la dirección de la desviación les dice a los físicos cuánto momento angular hay y hacia dónde apunta para cada evento de colisión.

Mientras tanto, Cámara de proyectos de tiempo de STAR, una cámara llena de gas que rodea la zona de colisión, rastrea las trayectorias de cientos o incluso miles de partículas que salen perpendiculares al centro de las colisiones.

"Estamos buscando específicamente señales de hiperones Lambda, Partículas giratorias que se descomponen en un protón y un pión que medimos en la Cámara de Proyección de Tiempo, "dijo Ernst Sichtermann, portavoz adjunto de STAR y científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE. Debido a que el protón sale casi alineado con la dirección de giro del hiperón, rastrear dónde chocan estos protones "hijos" con el detector puede ser un sustituto para rastrear cómo se alinean los giros de los hiperones.

"Estamos buscando una preferencia sistemática por la dirección de estos protones hijos alineados con el momento angular que medimos en los contadores de haz-haz, "Dijo Upsal." La magnitud de esa preferencia nos dice el grado de vorticidad - la tasa promedio de remolinos - del QGP ".

Super giro

Los resultados revelan que las colisiones RHIC crean el fluido más vortical jamás visto, un QGP girando más rápido que un tornado acelerado, más potente que el fluido de giro más rápido registrado. "Por lo tanto, el fluido más ideal con la viscosidad más pequeña también tiene la mayor vorticidad, "Dijo Lisa.

Esto tiene sentido porque la baja viscosidad en el QGP permite que persista la vorticidad, Dijo Lisa. "La viscosidad destruye los remolinos. Con QGP, si lo pones girando, tiende a seguir girando ".

Los datos también están en el estadio de lo que predijeron las diferentes teorías para la vorticidad QGP. "Diferentes teorías predicen diferentes cantidades, dependiendo de los parámetros que incluyan, por lo que nuestros resultados nos ayudarán a clasificar esas teorías y determinar qué factores son más relevantes, "dijo Sergei Voloshin, un colaborador de STAR de Wayne State University. "Pero la mayoría de las predicaciones teóricas eran demasiado bajas, ", agregó." Nuestras mediciones muestran que el QGP es incluso más vortical de lo previsto ".

Este descubrimiento se realizó durante el programa Beam Energy Scan, que explota la capacidad única de RHIC para variar sistemáticamente la energía de las colisiones en un rango en el que se han observado otros fenómenos particularmente interesantes. De hecho, las teorías sugieren que este puede ser el rango óptimo para el descubrimiento y posterior estudio de la alineación de espín inducida por la vorticidad, ya que se espera que el efecto disminuya a mayor energía.

El aumento del número de hiperones Lambda rastreados en futuras colisiones en RHIC mejorará la capacidad de los científicos de STAR para utilizar estas medidas para calcular la fuerza del campo magnético generado en las colisiones RHIC. La fuerza del magnetismo influye en el movimiento de las partículas cargadas a medida que se crean y emergen de las colisiones RHIC, por lo que medir su fuerza es importante para caracterizar completamente el QGP, incluyendo cómo separa las partículas cargadas de manera diferente.

"La teoría predice que el campo magnético creado en experimentos de iones pesados ​​es mucho más alto que cualquier otro campo magnético en el universo, "Dijo Lisa. Al menos, ser capaz de medirlo con precisión puede obtener otro récord para QGP.