Cuando los iones pesados, acelerado a la velocidad de la luz, chocan entre sí en las profundidades de los aceleradores europeos o americanos, El plasma de quark-gluón se forma en fracciones de segundo, o incluso su 'cóctel' aderezado con otras partículas. Según científicos de la FIP PAN, Los datos experimentales muestran que hay actores subestimados en escena:los fotones. Sus colisiones conducen a la emisión de partículas aparentemente en exceso, cuya presencia no pudo explicarse.

El plasma de quark-gluón es sin duda el estado de la materia más exótico que conocemos hasta ahora. En el LHC del CERN cerca de Ginebra, se forma durante las colisiones centrales de dos iones de plomo que se acercan entre sí desde direcciones opuestas, viajando a velocidades muy cercanas a la de la luz. Esta sopa de quarks y gluones también se condimenta a veces con otras partículas. Desafortunadamente, la descripción teórica del curso de eventos que involucran plasma y un cóctel de otras fuentes no describe los datos recolectados en los experimentos. En un artículo publicado en Letras de física B , un grupo de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia explicó el motivo de las discrepancias observadas. Datos recopilados durante colisiones de núcleos de plomo en el LHC, así como durante colisiones de núcleos de oro en el RHIC en el Laboratorio Nacional Brookhaven cerca de Nueva York, Comienzan a estar de acuerdo con la teoría cuando la descripción de los procesos tiene en cuenta las colisiones entre fotones que rodean a ambos iones que interactúan.

"Con una pizca de sal, se podría decir que con energías suficientemente altas, iones masivos chocan no solo con sus protones y neutrones, pero incluso con sus nubes de fotones, Dice la Dra. Mariola Klusek-Gawenda (IFJ PAN) y aclara de inmediato:“Al describir la colisión de iones en el LHC ya tomamos en cuenta las colisiones entre fotones. Sin embargo, se referían solo a colisiones ultraperiféricas, en el que los iones no chocan entre sí, pero pasan uno al lado del otro sin cambiar, interactuando solo con sus propios campos electromagnéticos. Nadie pensó que las colisiones de fotones pudieran desempeñar un papel en las interacciones violentas en las que los protones y neutrones se fusionan en una sopa de quarks y gluones ".

En condiciones conocidas de la vida cotidiana, los fotones no chocan entre sí. Sin embargo, cuando se trata de iones masivos acelerados a casi la velocidad de la luz, la situación cambia. El núcleo de oro contiene 79 protones, el núcleo principal hasta 82, por lo que la carga eléctrica de cada ion es correspondientemente muchas veces mayor que la carga elemental. Los portadores de interacciones electromagnéticas son fotones, por lo que cada ion puede tratarse como un objeto rodeado por una nube de muchos fotones. Es más, en el RHIC y LHC, los iones se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Como resultado, desde el punto de vista del observador en el laboratorio, tanto ellos como las nubes de fotones que los rodean parecen ser parches extremadamente delgados, aplanado en la dirección del movimiento. Con cada paso de un panqueque protón-neutrón, hay una oscilación extremadamente violenta de los campos eléctricos y magnéticos.

En electrodinámica cuántica, la teoría utilizada para describir el electromagnetismo con respecto a los fenómenos cuánticos, hay un valor crítico máximo del campo eléctrico, del orden de diez a dieciséis voltios por centímetro. Se aplica a campos eléctricos estáticos. En el caso de colisiones de núcleos atómicos masivos en el RHIC o LHC, estamos tratando con campos dinámicos que aparecen solo por millonésimas de mil millonésimas de segundo. Por un tiempo tan extremadamente corto, los campos eléctricos en las colisiones de iones pueden ser incluso 100 veces más fuertes que el valor crítico.

"De hecho, los campos eléctricos de iones que chocan en el LHC o RHIC son tan poderosos que generan fotones virtuales y se producen sus colisiones. Como resultado de estos procesos, Los pares leptón-antileptón se forman en varios puntos alrededor de los iones donde antes no había nada material. Las partículas de cada par se alejan unas de otras de una manera característica:típicamente en direcciones opuestas y casi perpendiculares a la dirección original del movimiento de los iones, "explica el Dr. Wolfgang Schäfer (IFJ PAN) y señala que la familia de leptones incluye electrones y sus contrapartes más masivas:muones y tauones.

Las interacciones de fotones y la producción de pares leptón-antileptón asociados con ellos son cruciales en las colisiones periféricas. Colisiones como estas fueron descritas por los físicos de Cracovia hace unos años. Para su sorpresa, ahora han logrado demostrar que los mismos fenómenos también juegan un papel importante en las colisiones directas de núcleos, incluso los centrales. Los datos recopilados para los núcleos de oro en el RHIC y los núcleos de plomo en el LHC muestran que durante tales colisiones aparece un cierto "exceso" de pares de electrones-positrones, que divergen relativamente lentamente en direcciones casi perpendiculares a los haces de iones. Ha sido posible explicar su existencia precisamente teniendo en cuenta la producción de pares leptón-antileptón por la colisión de fotones.

"La verdadera guinda del pastel para nosotros fue el hecho de que al complementar las herramientas existentes para la descripción de colisiones masivas de iones con nuestro formalismo basado en la llamada función de distribución de Wigner, finalmente podríamos explicar por qué los detectores de los mayores experimentos de aceleradores contemporáneos registran este tipo de distribuciones de leptones y antileptones que escapan del lugar de las colisiones nucleares (para una determinada centralidad de la colisión). Nuestro conocimiento de los procesos más importantes que tienen lugar aquí se ha vuelto más completo, ", concluye el profesor Antoni Szczurek (IFJ PAN).

El trabajo sobre el modelo de Cracovia de colisiones fotón-fotón fue financiado por el Centro Nacional de Ciencias de Polonia. El modelo ha despertado el interés de los físicos que trabajan con los detectores ATLAS y ALICE del LHC y se utilizará en los próximos análisis de datos experimentales.