El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN suele colisionar protones. Son estas colisiones protón-protón las que llevaron al descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Pero el acelerador más grande del mundo también fue diseñado para aplastar iones pesados, principalmente los núcleos de átomos de plomo, y lo hace todos los años durante aproximadamente un mes. Y por al menos dos buenas razones. Primero, Las colisiones de iones pesados ​​en el LHC recrean en condiciones de laboratorio el plasma de quarks y gluones que se cree que existió poco después del Big Bang. Segundo, las colisiones se pueden utilizar para probar y estudiar, a las temperaturas y densidades más altas creadas por el hombre, predicciones fundamentales de la cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza fuerte que une a los quarks y gluones en protones y neutrones y, en última instancia, en todos los núcleos atómicos.

El LHC no fue la primera máquina en recrear la materia del Big Bang:en 2000, Los experimentos en el Sincrotrón Super Proton del CERN encontraron evidencia convincente del plasma de quark-gluón. Aproximadamente cinco años después, Los experimentos en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE. UU. iniciaron una era de investigación detallada del plasma de quarks-gluones. Sin embargo, en los 10 años desde que logró colisiones a energías más altas que sus predecesores, el LHC ha llevado los estudios del plasma de quarks-gluones a nuevas alturas increíbles. Al producir un calor, plasma de quarks-gluones más denso y de vida más larga, así como una mayor cantidad y variedad de partículas con las que probar sus propiedades y efectos, el LHC ha permitido a los físicos estudiar el plasma de quarks-gluones con un nivel de detalle sin precedentes. Y lo que es más, la máquina ha dado algunos resultados sorprendentes a lo largo del camino, estimulando nuevos estudios teóricos de este estado de la materia.

"En el último libro de texto sobre la teoría de la interacción fuerte, el capítulo sobre el plasma de quarks-gluones estará lleno de cifras de datos del LHC, "dice el portavoz del experimento ALICE Luciano Musa.

"Estas cifras se destacan por la precisión de los datos y el alcance cinemático, y son los primeros en informarnos sobre cómo las propiedades similares al plasma de quarks y gluones emergen gradualmente a medida que uno pasa de colisiones protón-protón a colisiones de iones pesados ​​".

Curso de colisión pesada

Cuando los núcleos pesados ​​chocan entre sí en el LHC, los cientos de protones y neutrones que forman los núcleos liberan una gran fracción de su energía en un volumen diminuto, creando una bola de fuego de quarks y gluones. Estos pequeños trozos de plasma de quarks y gluones solo existen por momentos fugaces, con los quarks y gluones individuales, colectivamente conocidos como partons, formando rápidamente partículas compuestas y antipartículas que vuelan en todas direcciones. Al estudiar el zoológico de partículas producidas en las colisiones, antes, durante y después de que se crea el plasma, los investigadores pueden estudiar el plasma desde el momento en que se produce hasta el momento en que se enfría y da paso a un estado en el que se pueden formar partículas compuestas llamadas hadrones. Sin embargo, el plasma no se puede observar directamente. Su presencia y propiedades se deducen de las firmas experimentales que deja en las partículas que se producen en las colisiones y su comparación con modelos teóricos.

Estos estudios se pueden dividir en dos categorías distintas. El primer tipo de estudio investiga las miles de partículas que emergen de una colisión de iones pesados ​​colectivamente, proporcionar información sobre el mundo, propiedades macroscópicas del plasma de quark-gluón. El segundo tipo se centra en varios tipos de partículas con gran masa o momento, que se producen con menos frecuencia y ofrecen una ventana al interior, Funcionamiento microscópico del medio.

En el LHC, Estos estudios son realizados por las colaboraciones detrás de los cuatro experimentos principales del LHC:ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Aunque ALICE se diseñó inicialmente específicamente para investigar el plasma de quark-gluón, los otros tres experimentos también se han unido a esta investigación.

Propiedades globales

El LHC ha proporcionado datos que han permitido a los investigadores derivar con mayor precisión que la obtenida anteriormente, varias propiedades globales del medio.

"Si escuchamos dos instrumentos musicales diferentes con los ojos cerrados, podemos distinguir entre los instrumentos incluso cuando tocan la misma nota. La razón es que una nota viene con un conjunto de matices que le dan al instrumento un sonido distintivo único. Este es solo un ejemplo de lo simples pero poderosos que son los matices a la hora de identificar las propiedades de los materiales. Los físicos de iones pesados ​​han aprendido a utilizar los "matices" en su estudio del plasma de quarks-gluones. La etapa inicial de una colisión de iones pesados ​​produce ondas en el plasma que viajan a través del medio y excitan los armónicos. Estos matices pueden medirse analizando el flujo colectivo de partículas que salen del plasma y llegan a los detectores. Si bien las mediciones anteriores habían revelado solo los primeros indicios de estos matices, los experimentos del LHC los han mapeado en detalle. Combinado con otros avances en precisión, estos datos han sido utilizados por los teóricos para caracterizar las propiedades del plasma, como su temperatura, densidad de energía y resistencia a la fricción, que es más pequeño que el de cualquier otro fluido conocido, "explica Wiedemann.

Estos hallazgos luego se han apoyado de múltiples maneras. Por ejemplo, la colaboración de ALICE estimó la temperatura del plasma mediante el estudio de los fotones que emite la bola de fuego caliente. La temperatura estimada, aproximadamente 300 MeV (1 MeV es aproximadamente 10 ¹⁰ Kelvin), está por encima de la temperatura prevista necesaria para que se cree el plasma (alrededor de 160 MeV), y es aproximadamente un 40% más alto que el obtenido por el colisionador RHIC.

Otro ejemplo es la estimación de la densidad energética del plasma en la etapa inicial de las colisiones. ALICE y CMS obtuvieron un valor en el rango de 12 a 14 GeV por femtómetro cúbico (1 femtómetro es 10 ^-15 metros), aproximadamente dos o tres veces más alto que el determinado por RHIC, y nuevamente por encima de la densidad de energía predicha necesaria para que se forme el plasma (aproximadamente 1 GeV / fm ³ ).

El LHC no solo ha suministrado más partículas, sino también tipos de partículas más variados con los que sondear el plasma de quarks-gluones.

"El LHC nos ha dado acceso a una paleta muy amplia de sondas, "dice la coordinadora de física de ALICE, Andrea Dainese.

"Junto con detectores de partículas de última generación que cubren más área alrededor de los puntos de colisión, así como métodos sofisticados para identificar y rastrear partículas, esta amplia paleta ha ofrecido una visión sin precedentes del funcionamiento interno y los efectos del plasma de quarks-gluones ".

Para dar algunos ejemplos, poco después de que comenzara el LHC, ATLAS y CMS realizaron la primera observación directa del fenómeno del enfriamiento por chorro, en el que los chorros de partículas formados en las colisiones pierden energía al atravesar el medio plasmático de quarks-gluones. Las colaboraciones encontraron un sorprendente desequilibrio en las energías de pares de chorros, con un chorro casi completamente absorbido por el medio.

Otro ejemplo se refiere a los quarks pesados. Estas partículas son excelentes sondas del plasma de quarks-gluones porque se producen en las etapas iniciales de una colisión de iones pesados ​​y, por lo tanto, experimentan la evolución completa del plasma. La colaboración de ALICE ha demostrado más recientemente que los quarks pesados ​​"sienten" la forma y el tamaño del plasma de quarks-gluones, lo que indica que incluso los quarks más pesados ​​se mueven con el medio, que está compuesto principalmente de quarks y gluones ligeros.

Los experimentos del LHC, en particular ALICE y CMS, también han mejorado significativamente nuestra comprensión del "derretimiento" jerárquico en el plasma de estados ligados de un quark pesado y su antiquark, llamado quarkonia. Cuanto más débilmente ligados están los estados, más fácilmente se derretirán, y como resultado, menos abundantes serán. CMS fue el primero en observar esta supuesta supresión jerárquica para los estados bottomonium, que consisten en un quark de fondo y su antiquark. Y ALICE reveló que, mientras que la forma más común de charmonium dice, que se componen de un quark charm y su antiquark, está altamente suprimido debido al efecto del plasma, también se regenera mediante la recombinación de quarks encantadores y antiquarks. Este fenómeno de recombinación, observado por primera vez en el LHC, proporciona un importante campo de pruebas para modelos teóricos y fenomenología, que forma un vínculo entre los modelos teóricos y los datos experimentales.

Sorpresas en sistemas más pequeños

Los datos del LHC también han revelado resultados inesperados. Por ejemplo, La colaboración de ALICE mostró que la producción mejorada de hadrones extraños (partículas que contienen al menos un quark extraño), que tradicionalmente se ve como una firma del plasma de quark-gluón, surge gradualmente en las colisiones protón-protón y protón-plomo a medida que el número de partículas producidas en las colisiones, o "multiplicidad", aumenta.

Otro ejemplo es la aparición gradual de una característica similar a un flujo con la forma de una cresta con una multiplicidad creciente, que fue observado por primera vez por CMS en colisiones protón-protón y protón-plomo. Este resultado fue respaldado además por las observaciones de ALICE y ATLAS sobre la aparición de características de doble cresta en las colisiones protón-plomo.

"El descubrimiento del comportamiento similar al de los iones pesados ​​en las colisiones protón-protón y protón-núcleo en el LHC es un cambio de juego, "dice Wiedemann.

"Los datos del LHC han anulado la visión de larga data de que las colisiones protón-protón producen conjuntos de partículas de flujo libre, mientras que las colisiones de iones pesados ​​producen un plasma de quark-gluón completamente desarrollado. Y nos dicen que en los sistemas de colisión pequeños protón-protón hay más mecanismos físicos en funcionamiento de lo que se pensaba tradicionalmente. El nuevo desafío es comprender, dentro de la teoría de la fuerza fuerte, cómo las propiedades similares al plasma de quarks y gluones emergen gradualmente con el tamaño del sistema de colisión ".

Estos son solo ejemplos de cómo 10 años del LHC han avanzado enormemente el conocimiento de los físicos sobre el plasma de quarks-gluones y, por lo tanto, del universo primitivo. Y con los datos de la segunda ejecución de la máquina aún siendo analizados y más datos por venir de la próxima ejecución y del LHC de alta luminosidad, el sucesor del LHC, una comprensión aún más detallada de este estado único de la materia está destinada a surgir, quizás con nuevas sorpresas en la mezcla.

"La próxima década en el LHC ofrece muchas oportunidades para una mayor exploración del plasma de quarks-gluones, "dice Musa." El esperado aumento de diez veces en el número de colisiones plomo-plomo debería aumentar la precisión de las mediciones de sondas conocidas del medio y darnos acceso a nuevas sondas. Además, planeamos explorar colisiones entre núcleos más ligeros, lo que podría arrojar más luz sobre la naturaleza del medio ".