Físicos nucleares que analizan datos del detector PHENIX en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, publicaron en la revista Física de la naturaleza evidencia adicional de que las colisiones de minúsculos proyectiles con núcleos de oro crean pequeñas motas del fluido perfecto que llenó el universo primitivo.

Los científicos están estudiando esta sopa caliente compuesta de quarks y gluones, los componentes básicos de los protones y neutrones, para aprender sobre la fuerza fundamental que mantiene unidas estas partículas en la materia visible que constituye nuestro mundo actual. La capacidad de crear partículas tan diminutas de la sopa primordial (conocida como plasma de quark-gluón) fue inicialmente inesperada y podría ofrecer información sobre las propiedades esenciales de esta notable forma de materia.

"Este trabajo es la culminación de una serie de experimentos diseñados para diseñar la forma de las gotas de plasma de quark-gluón, "dijo Jamie Nagle, colaborador de PHENIX de la Universidad de Colorado, Roca, quienes ayudaron a diseñar el plan experimental, así como las simulaciones teóricas que el equipo usaría para probar sus resultados.

El último artículo de la colaboración PHENIX incluye un análisis exhaustivo de las colisiones entre pequeños proyectiles (protones individuales, deuterones de dos partículas, y núcleos de helio-3 de tres partículas) con grandes "objetivos" de núcleos de oro que se mueven en la dirección opuesta a casi la velocidad de la luz. El equipo rastreó las partículas que emergen de estas colisiones, buscando evidencia de que sus patrones de flujo coincidieran con las geometrías originales de los proyectiles, como se esperaría si los diminutos proyectiles estuvieran creando un plasma líquido perfecto de quark-gluón.

"RHIC es el único acelerador del mundo donde podemos realizar un experimento tan estrictamente controlado, colisión de partículas hechas de uno, dos, y tres componentes con el mismo núcleo más grande, oro, todo a la misma energía, "dijo Nagle.

El líquido perfecto induce el flujo

El líquido "perfecto" es ahora un fenómeno bien establecido en las colisiones entre dos núcleos de oro en RHIC, donde la intensa energía de cientos de protones y neutrones en colisión derrite los límites de estas partículas individuales y permite que sus quarks y gluones constituyentes se mezclen e interactúen libremente. Las mediciones en RHIC muestran que esta sopa de quarks y gluones fluye como un líquido con una viscosidad extremadamente baja (también conocida como casi perfección según la teoría de la hidrodinámica). La falta de viscosidad permite que los gradientes de presión establecidos al principio de la colisión persistan e influyan en cómo las partículas que emergen de la colisión golpean el detector.

"Si se crean condiciones de baja viscosidad y gradientes de presión en colisiones entre pequeños proyectiles y núcleos de oro, el patrón de partículas recogidas por el detector debe retener algo de "memoria" de la forma inicial de cada proyectil, esférico en el caso de los protones, elíptica para deuterones, y triangular para núcleos de helio-3, "dijo el portavoz de PHENIX, Yasuyuki Akiba, físico del laboratorio RIKEN en Japón y del Centro de Investigación del Laboratorio RIKEN / Brookhaven.

PHENIX analizó las mediciones de dos tipos diferentes de flujo de partículas (elíptico y triangular) de los tres sistemas de colisión y las comparó con las predicciones de lo que debería esperarse en función de la geometría inicial.

"Los datos más recientes, las mediciones de flujo triangular para las colisiones protón-oro y deuterón-oro presentadas recientemente en este artículo, completan el cuadro, "dijo Julia Velkovska, un portavoz adjunto de PHENIX, quien dirigió un equipo involucrado en el análisis en la Universidad de Vanderbilt. "Esta es una combinación única de observables que permite una discriminación de modelo decisiva".

"En los seis casos, las medidas coinciden con las predicciones basadas en la forma geométrica inicial. Estamos viendo correlaciones muy fuertes entre la geometría inicial y los patrones de flujo final, y la mejor manera de explicarlo es que el plasma de quarks-gluones se creó en estos pequeños sistemas de colisión. Esta es una evidencia muy convincente, "Dijo Velkovska.

Comparaciones con la teoría

Los patrones de flujo geométrico se describen naturalmente en la teoría de la hidrodinámica, cuando se crea un líquido casi perfecto. La serie de experimentos donde la geometría de las gotitas es controlada por la elección del proyectil fue diseñada para probar la hipótesis de la hidrodinámica y contrastarla con otros modelos teóricos que producen correlaciones de partículas que no están relacionadas con la geometría inicial. Una de esas teorías enfatiza las interacciones de la mecánica cuántica, particularmente entre la abundancia de gluones que se postula para dominar la estructura interna de los núcleos acelerados, por desempeñar un papel importante en los patrones observados en los sistemas de colisión a pequeña escala.

El equipo de PHENIX comparó sus resultados medidos con dos teorías basadas en la hidrodinámica que describen con precisión el plasma de quark-gluón observado en las colisiones oro-oro del RHIC. así como los predichos por la teoría basada en la mecánica cuántica. La colaboración de PHENIX descubrió que sus datos se ajustan mejor a las descripciones de plasma de quark-gluón, y no coinciden, particularmente para dos de los seis patrones de flujo, con las predicciones basadas en las interacciones gluón de la mecánica cuántica.

El documento también incluye una comparación entre las colisiones de iones de oro con protones y deuterones que se seleccionaron específicamente para coincidir con el número de partículas producidas en las colisiones. Según la predicción teórica basada en interacciones de gluones, los patrones de flujo de partículas deben ser idénticos independientemente de la geometría inicial.

"Con todo lo demás en igualdad de condiciones, todavía vemos un mayor flujo elíptico para el deuterón-oro que para el protón-oro, que coincide más estrechamente con la teoría del flujo hidrodinámico y muestra que las medidas dependen de la geometría inicial, ", Dijo Velkovska." Esto no significa que las interacciones de gluones no existan, ", continuó." Esa teoría se basa en fenómenos sólidos de la física que deberían estar allí. Pero según lo que estamos viendo y nuestro análisis estadístico de la concordancia entre la teoría y los datos, esas interacciones no son la fuente dominante de los patrones de flujo finales ".

PHENIX está analizando datos adicionales para determinar la temperatura alcanzada en las colisiones a pequeña escala. Si lo suficientemente caliente, esas mediciones serían una prueba más de apoyo para la formación de plasma de quark-gluón.

La interacción con la teoría, incluyendo explicaciones competitivas, continuará jugando. Berndt Mueller, Director Asociado de Brookhaven Lab para Física Nuclear y de Partículas, ha pedido a físicos y teóricos experimentales que se reúnan para discutir los detalles en un taller especial que se celebrará a principios de 2019. "Este proceso de comparación entre mediciones, predicciones, y explicaciones es un paso esencial en el camino hacia nuevos descubrimientos, como ha demostrado el programa RHIC a lo largo de sus exitosos 18 años de funcionamiento, " él dijo.