Un nuevo resultado de la Colaboración ATLAS en el CERN estudia las interacciones de los fotones (partículas de luz) con los núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Utilizando nuevas técnicas de recopilación de datos, Los físicos revelaron una similitud inesperada con las firmas experimentales del plasma de quarks-gluones.

Cuando está en funcionamiento, el LHC dedica aproximadamente un mes al año a la colisión de núcleos de plomo. Esta configuración brinda a los físicos la oportunidad de estudiar el plasma de quarks-gluones (QGP), una fase de materia intensamente caliente y densa que se crea cuando los núcleos chocan de frente. Estas condiciones extremas imitan las del Universo temprano durante los primeros microsegundos después del Big Bang. Los físicos entienden bien el QGP:evoluciona como un fluido casi perfecto, preservando fielmente la forma geométrica impresa en su formación en una serie de patrones en la distribución del momento de las partículas al final de su evolución.

Pero, ¿qué sucede cuando dos núcleos de plomo que se acercan apenas se pierden entre sí? El núcleo principal, completamente despojado de sus electrones circundantes habituales, contiene una gran carga eléctrica que puede inducir una variedad de procesos interesantes. El intenso campo electromagnético de cada núcleo puede considerarse equivalente a un flujo de fotones con grandes energías. Estos fotones pueden interactuar con los fotones que vienen del otro núcleo que conduce a, por ejemplo, Procesos de dispersión luz por luz. Además, un fotón de alta energía también puede golpear directamente al otro núcleo, conduciendo a una exótica colisión "fotonuclear".

Durante la ejecución líder-líder de 2018 del LHC, Los físicos de ATLAS se centraron en las propiedades únicas de los eventos fotonucleares para recolectar una gran muestra para su estudio. Debido a que el núcleo principal participante tiene un impulso que es decenas de veces mayor que el del fotón, los productos de estas colisiones son "impulsados" (desplazados) en la dirección del núcleo principal. La pantalla de eventos de arriba muestra la distribución asimétrica de partículas que resulta en esta situación. Esta característica, El patrón asimétrico permite a los científicos examinar de manera eficiente los miles de millones de colisiones simétricas ordinarias de plomo-plomo y encontrar los raros eventos fotonucleares.

En una publicación reciente, Los físicos de ATLAS se sorprendieron al ver que algunas de las colisiones fotonucleares más enérgicas mostraban evidencia de la creación del mismo QGP caliente y denso observado en las colisiones frontales plomo-plomo. Específicamente, las partículas exhibieron una anisotropía de momento azimutal (v2) en el plano transversal. Esta firma se interpreta tradicionalmente como evidencia de la formación de QGP, ya que surge de gradientes de presión que son más grandes a lo largo de un eje del QGP que en otro. La Figura 1 muestra que los valores de v2 en los eventos fotonucleares son comparables a los de las colisiones protón-protón y protón-plomo. Estos datos ofrecen una sugerencia tentadora de que el plasma de quarks-gluones puede formarse incluso en estos exóticos, pequeños sistemas de colisión.

La mayoría de los modelos teóricos de estas anisotropías de momento se basan en que los cuerpos en colisión están hechos de quarks y gluones. Ingenuamente, es sorprendente encontrar tales efectos en un sistema donde una de las partículas en colisión es un simple, fotón sin estructura! Sin embargo, con energías suficientemente grandes, la función de onda del fotón es una superposición de muchos estados, incluidos algunos que son hadrones (partículas compuestas de quarks y gluones). Por lo tanto, estas medidas proporcionan un sistema de colisión con una estructura inicial muy diferente a las que se utilizan tradicionalmente para estudiar el plasma de quarks-gluones, y sirven como prueba tanto para los experimentadores como para los teóricos.