Los físicos nucleares están tratando de comprender cómo las partículas llamadas quarks y gluones se combinan para formar hadrones, partículas compuestas de dos o tres quarks. Para estudiar este proceso, llamado hadronización, un equipo de físicos nucleares utilizó el detector STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider, 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 del DOE, para medir la abundancia relativa de ciertos hadrones de dos y tres quarks creado en enérgicas colisiones de núcleos de oro. Las colisiones "derriten" momentáneamente los límites entre los protones y neutrones individuales que forman los núcleos de oro para que los científicos puedan estudiar cómo sus bloques de construcción internos, los quarks y gluones, recombinar.

Los físicos de STAR estudiaron partículas que contenían quarks "encantadores" pesados, que son más fáciles de rastrear que las partículas más ligeras, para ver cómo las mediciones coincidían con las predicciones de diferentes explicaciones de la hadronización. Las medidas, publicado en Cartas de revisión física , reveló muchos más hadrones de tres quarks de lo que se hubiera esperado por una explicación ampliamente aceptada de la hadronización conocida como fragmentación. Los resultados sugieren que, en lugar de, Los quarks en la densa sopa de partículas creada en RHIC se recombinan más directamente a través de un mecanismo conocido como coalescencia.

"Los hadrones hechos de dos o tres quarks son los bloques de construcción de la materia visible en nuestro mundo, incluidos los protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos. Pero nunca vemos sus bloques de construcción internos, los quarks y gluones, como objetos libres porque Los quarks siempre están 'confinados' dentro de partículas compuestas, "dijo Xin Dong, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE y líder de este análisis para STAR Collaboration.

Las colisiones de iones pesados ​​de RHIC crean un estado de materia conocido como plasma de quark-gluón (QGP), una sopa de partículas calientes que imita cómo era el universo primitivo, en el que los quarks se "desconfinan, "o puesto en libertad, de sus límites ordinarios dentro de partículas compuestas llamadas hadrones.

"Al rastrear las partículas que salen de las colisiones de RHIC, podemos explorar el mecanismo de la hadronización y cómo la fuerte fuerza nuclear mantiene a los quarks confinados en la materia ordinaria, "dijo Helen Caines, profesor de la Universidad de Yale y co-portavoz de STAR Collaboration.

Los físicos de STAR midieron hadrones encantados (hadrones que contienen quarks "encantadores" pesados) utilizando el Heavy Flavor Tracker (HFT) de alta resolución instalado en el centro de la cámara de proyección de tiempo de 4 metros de ancho del detector STAR de RHIC.

"El HFT 'acerca' partículas como la lambda encantada de tres quarks, que decae a menos de 0,1 milímetro del centro de la colisión, "dijo el físico de Brookhaven Lab Flemming Videbaek, el director del proyecto STAR HFT.

Combinando "hits" en el HFT con mediciones de los productos de desintegración más lejos en el detector STAR, los físicos pueden contar cuántas partículas lambdas encantadas de tres quark frente a partículas "D-cero" (D0) encantadas de dos quarks emergen del QGP.

"Usamos una técnica de aprendizaje automático supervisado para suprimir el fondo grande para la detección de partículas lambda encantadas, "dijo Sooraj Radhakrishnann, un becario postdoctoral de Kent State University y Berkeley Lab que realizó el análisis principal.

Los resultados de STAR contaron lambdas encantadas y partículas D0 en números casi iguales. Fueron lambdas mucho más encantadas de lo que había predicho un mecanismo bien aceptado de hadronización conocido como fragmentación.

"La fragmentación describe con precisión muchos resultados experimentales de experimentos de física de partículas de alta energía, "Dijo Dong. El mecanismo implica quarks o gluones energéticos que" excitan "el vacío y" se dividen "para formar pares quark-antiquark. A medida que avanza el proceso de escisión, crea una abundante reserva de quarks y antiquarks que pueden combinarse para formar hadrones de dos y tres quarks, él explicó.

Pero la explicación de la fragmentación predice que deben emerger menos partículas lambda encantadas que partículas D0 de las colisiones de iones pesados ​​en el rango de impulso medido en RHIC. La observación de STAR de la "mejora de bariones encantados" (que da como resultado un número casi igual de partículas D0 y lambda encantadas) respalda un mecanismo alternativo para la hadronización. Conocido como coalescencia, esta explicación postula que la densidad de la sopa de partículas QGP de RHIC acerca a los quarks lo suficientemente cerca como para permitirles recombinarse en partículas compuestas directamente.

"Los resultados de STAR sugieren que la coalescencia juega un papel importante en la hadronización de los quarks encantadores en las colisiones de iones pesados, al menos en el rango de impulso medido en este experimento, "Dijo Dong.

Comprender el mecanismo de coalescencia puede ofrecer nuevos conocimientos que ayuden a revelar cómo los quarks y gluones se confinan dentro de los hadrones para construir la estructura de los núcleos atómicos, el corazón de la materia que constituye todo lo visible en nuestro mundo.