Nuestro mundo se compone principalmente de partículas formadas por tres quarks unidos por gluones. El proceso de unión de los quarks, llamado hadronización, todavía se entiende poco. Físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias de Cracovia, trabajando dentro de la Colaboración LHCb, han obtenido nueva información al respecto, gracias al análisis de datos únicos recopilados en colisiones de protones de alta energía en el LHC.

Cuando los protones acelerados a la mayor energía chocan entre sí en el LHC, las partículas que los componen, quarks y gluones, crean un desconcertante estado intermedio. La observación de que en las colisiones de partículas tan relativamente simples como los protones, este estado intermedio exhibe las propiedades de un líquido, típico de colisiones de estructuras mucho más complejas (iones pesados), fue una gran sorpresa. Propiedades de este tipo indican la existencia de un nuevo estado de la materia:un plasma de quarks-gluones en el que los quarks y gluones se comportan casi como partículas libres. Este exótico líquido se enfría instantáneamente. Como resultado, los quarks y gluones se vuelven a conectar entre sí en un proceso llamado hadronización. El efecto de esto es el nacimiento de hadrones, partículas que son grupos de dos o tres quarks. Gracias al último análisis de datos recopilados a energías de siete teraelectronvoltios, investigadores del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, trabajando dentro de la Colaboración LHCb, adquirió nueva información sobre el mecanismo de hadronización en las colisiones protón-protón.

"El papel principal en las colisiones de protones lo juega una fuerte interacción, descrito por la cromodinámica cuántica. Los fenómenos que ocurren durante el enfriamiento del plasma de quark-gluones son, sin embargo, tan complejo en términos de cálculo que hasta ahora no ha sido posible comprender completamente los detalles de la hadronización. ¡Y sin embargo, es un proceso de importancia clave! Es gracias a esto que en los primeros momentos después del Big Bang, la mayoría dominante de partículas que forman nuestro entorno cotidiano se formó a partir de quarks y gluones, "dice el profesor adjunto Marcin Kucharczyk (IFJ PAN).

En el LHC, la hadronización es extremadamente rápida, y ocurre en un área extremadamente pequeña alrededor del punto de colisión de protones:sus dimensiones alcanzan solo femtómetros, o millonésimas de mil millonésimas de metro. No es de extrañar entonces que la observación directa de este proceso no es posible actualmente. Para obtener cualquier información sobre su curso, los físicos deben recurrir a varios métodos indirectos. Un papel clave lo juega la herramienta básica de la mecánica cuántica:una función de onda cuyas propiedades están mapeadas por las características de las partículas de un tipo determinado (vale la pena señalar que aunque han pasado casi 100 años desde el nacimiento de la mecánica cuántica, ¡todavía existen varias interpretaciones de la función de onda!).

"Las funciones de onda de partículas idénticas se superpondrán efectivamente, es decir, interferir. Si se mejoran como resultado de interferencias, estamos hablando de correlaciones de Bose-Einstein, si se suprimen, correlaciones de Fermi-Dirac. En nuestros análisis, estábamos interesados ​​en las mejoras, es decir, las correlaciones de Bose-Einstein. Los estábamos buscando entre los mesones pi que volaban fuera del área de hadronización en direcciones cercanas a la dirección original de los haces de protones en colisión, "explica el estudiante de doctorado Bartosz Malecki (IFJ PAN).

El método utilizado fue desarrollado originalmente para radioastronomía y se llama interferometría HBT (de los nombres de sus dos creadores:Robert Hanbury Brown y Richard Twiss). Cuando se usa con referencia a partículas, La interferometría HBT permite determinar el tamaño del área de hadronización y su evolución en el tiempo. Ayuda a proporcionar información sobre, por ejemplo, si esta área es diferente para diferentes números de partículas emitidas o para sus diferentes tipos.

Los datos del detector LHCb permitieron estudiar el proceso de hadronización en el área de los llamados ángulos pequeños, es decir, para hadrones producidos en direcciones cercanas a la dirección de los haces de protones iniciales. El análisis realizado por el grupo de IFJ PAN proporcionó indicaciones de que los parámetros que describen la fuente de hadronización en esta región única cubierta por el experimento LHCb en el LHC son diferentes de los resultados obtenidos para ángulos más grandes.

"El análisis que proporcionó estos interesantes resultados continuará en el experimento LHCb para diversas energías de colisión y diferentes tipos de estructuras en colisión. Gracias a esto, será posible verificar algunos de los modelos que describen la hadronización y, como consecuencia, para comprender mejor el curso del proceso en sí, "resume el Prof. Mariusz Witek (IFJ PAN).

El trabajo del equipo de la FIP PAN fue financiado en parte por la subvención OPUS del Centro Nacional de Ciencias de Polonia.

El Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear (IFJ PAN) es actualmente el instituto de investigación más grande de la Academia de Ciencias de Polonia. La amplia gama de estudios y actividades de IFJ PAN incluye investigación básica y aplicada, que van desde la física de partículas y la astrofísica, a través de la física de los hadrones, elevado-, medio-, y física nuclear de baja energía, física de la materia condensada (incluida la ingeniería de materiales), a diversas aplicaciones de los métodos de la física nuclear en la investigación interdisciplinaria, cubriendo la física médica, dosimetría, radiación y biología ambiental, protección del medio ambiente, y otras disciplinas afines. El rendimiento anual promedio del PAN de la FIP abarca más de 600 artículos científicos en el Journal Citation Reports publicado por Thomson Reuters. La parte del Instituto es el Cyclotron Center Bronowice (CCB) que es una infraestructura, único en Europa Central, servir como centro clínico y de investigación en el área de la física médica y nuclear. IFJ PAN es miembro del Consorcio de Investigación Marian Smoluchowski de Cracovia:"Materia-Energía-Futuro", que posee el estatus de Centro Nacional Líder de Investigación (KNOW) en física para los años 2012-2017. El Instituto es de Categoría A + (nivel líder en Polonia) en el campo de las ciencias y la ingeniería.