El plasma de quark-gluón se forma como resultado de colisiones de alta energía de iones pesados. Después de una colisión durante una docena de yoctosegundos (10 ^-24 segundos), el más perfecto de todos los fluidos conocidos sufre una rápida expansión hidrodinámica con velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Un equipo internacional de científicos, asociado con el PAN de la FIP y el Centro GSI, ha presentado un nuevo modelo que describe estos caudales extremos. Por primera vez, Se tienen en cuenta los efectos resultantes de la rotación cuántica de las partículas.

Cada protón y cada neutrón está compuesto por varios quarks unidos por fuertes interacciones transportadas por partículas intermedias llamadas gluones. Cuando los iones pesados ​​formados por protones y neutrones a una velocidad cercana a la de la luz chocan entre sí, por lo general se destruyen, transformándose en un plasma exótico de quark-gluón. Debido a su viscosidad insignificante, este plasma se considera el fluido más perfecto del universo. Nuevas medidas experimentales, sin embargo, sugieren que las partículas que abandonan el plasma presentan una disposición no trivial de sus direcciones de giro. Para explicar estos resultados, un grupo de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia y del Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​en Darmstadt (Alemania) ha presentado un nuevo modelo de flujos relativistas de plasma de quark-gluón, teniendo en cuenta los fenómenos derivados del giro cuántico de las partículas que lo forman.

Durante unos diez microsegundos después del Big Bang, El plasma de quarks-gluones llenó todo el Universo. Sin embargo, se enfrió rápidamente y los gluones unieron los quarks en grupos, las partículas de las cuales está construido nuestro mundo. Como resultado, El fluido de quark-gluón hoy en día solo puede verse como el efecto de colisiones de alta energía de iones pesados ​​(y, posiblemente, también de sistemas de colisión más pequeños que consisten en protones e iones). En la actualidad, las colisiones de este tipo se están llevando a cabo en solo unos pocos centros de aceleración en el mundo.

El flujo de fluidos y gases se trata en hidrodinámica, un campo que ha estado en desarrollo durante siglos. Después del surgimiento de la teoría de la relatividad, La hidrodinámica clásica se extendió por fenómenos relativistas, ocurre cuando el fluido fluye a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Después del nacimiento de la teoría cuántica, la hidrodinámica se amplió con descripciones del flujo de partículas con espín.

El giro es una característica de las partículas elementales asociadas con las propiedades de sus funciones de onda en relación con la rotación. Solo puede tomar valores discretos, p.ej. 0, 1/2, 1, 3/2, etc. La dirección de giro de las partículas con giro 1/2 puede ser igual a +1/2 o -1/2 con respecto a cualquier eje. La polarización distinta de cero de las partículas con spin 1/2 significa que es más probable que las partículas producidas adopten una dirección de giro (+1/2 o -1/2).

"La hidrodinámica es una herramienta excelente para describir muchos fenómenos físicos. Hemos ampliado su campo de aplicación. Somos los primeros en presentar una descripción coherente de los flujos de partículas relativistas con espín 1/2, "explica el profesor Wojciech Florkowski (IFJ PAN, UJK, EMMI), quien en colaboración con el grupo del Prof. Bengt Friman (GSI) ha desarrollado un nuevo modelo de flujo.

El trabajo sobre el modelo de flujos relativistas con espín se inspiró en mediciones recientes de la polarización de espines de partículas conocidas como hiperones Lambda (estos son conglomerados de tres quarks:arriba, deprimido y extraño, con un giro total de 1/2), registrado en colisiones de iones pesados. Los físicos llevan mucho tiempo experimentando para comprender mejor la polarización de los hiperones Lambda. Las medidas, sin embargo, estaban sujetos a una considerable incertidumbre. Recientemente, en experimentos llevados a cabo en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, Se demostró que los giros de los hiperones Lambda se forman en colisiones de núcleos pesados ​​que están polarizados.

Se sabe desde hace mucho tiempo que el giro de un objeto cuántico contribuye a su impulso total. Por ejemplo, en materiales ferromagnéticos, se puede observar el efecto Einstein-de Haas. Cuando un sistema no polarizado se coloca en un campo magnético, el giro de las partículas comienza a orientarse de acuerdo con el campo magnético, lo que significa que para mantener el momento angular total, el sistema debe comenzar a girar. La observación de la polarización de los hiperones Lambda formados como resultado de las transformaciones de plasma de quark-gluón indica, por tanto, el papel difícil de ignorar del espín en la configuración del flujo de este plasma.

El modelo presentado por el grupo de físicos de IFJ PAN y GSI es una generalización de la hidrodinámica del fluido perfecto. Dado que hay espín en los sistemas descritos, el principio de conservación del momento angular debería haberse incluido en la descripción teórica.

"Así como la temperatura está asociada con el principio de conservación de la energía, velocidad con el principio de conservación de la cantidad de movimiento, y potencial eléctrico con el principio de conservación de la corriente de carga, así que en los sistemas descritos por nosotros, La polarización de espín está asociada con el principio de conservación de la cantidad de movimiento. Cuando se tiene en cuenta este principio, obtienes ecuaciones adicionales, describir mejor la evolución del sistema, "explica el profesor Florkowski.

El plasma de quark-gluón es un estado de materia tan exótico que durante décadas, las aplicaciones tecnológicas estarán fuera de alcance. Sin embargo, estos estudios tienen importantes implicaciones en la actualidad. Los flujos relativistas de partículas con espín son una nueva ventana al mundo de las interacciones fuertes, cuales, entre otras cosas, unir quarks en protones y neutrones. Por lo tanto, las interacciones fuertes juegan un papel muy importante en el universo, pero son extremadamente complicados de describir. Por lo tanto, Los investigadores esperan que en los flujos relativistas con spin sea posible conocer un poco mejor estos efectos.