Los físicos nucleares que estudian las colisiones de partículas en el Colisionador de iones pesados ​​relativistas (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, tienen nueva evidencia de que las partículas llamadas gluones alcanzan un estado "saturado" constante dentro de los iones acelerados. La evidencia es la supresión de pares consecutivos de partículas que emergen de colisiones entre protones e iones más pesados ​​(los núcleos de los átomos), según lo rastreado por el detector STAR de RHIC. En un artículo recién publicado en Physical Review Letters , la colaboración STAR muestra que cuanto más grande es el núcleo con el que choca el protón, mayor es la supresión en esta firma clave, como predicen los modelos teóricos de saturación de gluones.

"Variamos las especies del haz de iones en colisión porque los teóricos predijeron que este signo de saturación sería más fácil de observar en los núcleos más pesados", explicó el físico Xiaoxuan Chu del Brookhaven Lab, miembro de la colaboración STAR que dirigió el análisis. "Lo bueno es que RHIC, el colisionador más flexible del mundo, puede acelerar diferentes tipos de haces de iones. En nuestro análisis, usamos colisiones de protones con otros protones, aluminio y oro".

La saturación debería ser más fácil de ver en el aluminio, e incluso más fácil en el oro, en comparación con los protones más simples, explicó Chu, porque estos núcleos más grandes tienen más protones y neutrones, cada uno compuesto por quarks y gluones.

Experimentos anteriores han demostrado que cuando los iones se aceleran a altas energías, los gluones se dividen, uno en dos, para multiplicarse en números muy altos. Pero los científicos sospechan que la multiplicación de gluones no puede durar para siempre. En cambio, en los núcleos que se mueven cerca de la velocidad de la luz, donde el movimiento relativista aplana los núcleos en "tortitas" de gluones acelerados, los gluones superpuestos deberían comenzar a recombinarse.

"Si la tasa de dos gluones que se recombinan en uno equilibra la tasa de división de gluones individuales, la densidad de gluones alcanza un estado estable, o meseta, donde no sube ni baja. Eso es saturación", dijo Chu. "Debido a que hay más gluones y más gluones superpuestos en núcleos más grandes, estos iones más grandes deberían mostrar signos de recombinación y saturación más fácilmente que los más pequeños", agregó.

Escaneo de pares consecutivos

Para buscar esos signos, los científicos de STAR escanearon los datos recopilados en 2015 en busca de colisiones donde un par de partículas "pi cero" golpean el espectrómetro de mesón delantero de STAR en una configuración de espalda con espalda. En este caso, espalda con espalda significa 180 grados entre sí alrededor de un objetivo circular en el extremo del detector en la dirección de avance del haz de protones de sondeo. Estas colisiones seleccionan interacciones entre un solo quark de alta energía del protón de sondeo con un solo gluón de bajo impulso en el ion objetivo (protón, aluminio u oro).

"Usamos el quark del protón como herramienta, o sonda, para estudiar el gluón dentro del otro ion", dijo Chu.

El equipo estaba particularmente interesado en los gluones de "fracción de momento bajo", la multitud de gluones que llevan cada uno una pequeña fracción del momento total del núcleo. Los experimentos en el acelerador HERA en Alemania (1992-2007) han demostrado que, a alta energía, los protones y todos los núcleos están dominados por estos gluones de fracción de impulso bajo.

En las colisiones protón-protón, las interacciones quark-gluón son muy sencillas, explicó Chu. "Las dos partículas, el quark y el gluón, chocan entre sí y generan dos partículas pi cero consecutivas", dijo.

Pero cuando un quark del protón golpea un gluón en un núcleo aplanado más grande, donde se superponen muchos gluones, las interacciones pueden ser más complejas. El quark, o el gluón golpeado, podría golpear varios gluones adicionales. O el gluón podría recombinarse con otro gluón, perdiendo toda "memoria" de su tendencia original a emitir un pi cero.

Ambos procesos (dispersiones múltiples y recombinación de gluones) deberían "difuminar" la señal cero de pi consecutiva, explicó Elke Aschenauer, líder del grupo experimental "Cold QCD" de Brookhaven Lab, que explora los detalles de la cromodinámica cuántica (QCD), el teoría que rige las interacciones de quarks y gluones en protones y núcleos.

"Entonces, las colisiones protón-protón nos dan una línea de base", dijo Chu. "En estas colisiones no tenemos saturación porque no hay suficientes gluones y no hay suficiente superposición. Para buscar la saturación, comparamos el observable de la correlación de dos partículas en los tres sistemas de colisión".

Los resultados coinciden con la predicción de la teoría

Los resultados salieron tal como predijeron las teorías, con los físicos observando la menor cantidad de partículas correlacionadas consecutivas que golpean el detector en las colisiones de protones y oro, un nivel intermedio en las colisiones de protones y aluminio y la correlación más alta en el protón de referencia. -colisiones de protones.

La supresión de la correlación pi cero en los núcleos más grandes, y el hecho de que la supresión se vuelve más fuerte cuanto más grande se vuelve el núcleo, son evidencia clara, dicen los científicos, de la recombinación de gluones necesaria para alcanzar la saturación de gluones.

"STAR hará un seguimiento de estas mediciones mediante la recopilación de datos adicionales en 2024 utilizando componentes de detectores avanzados recientemente actualizados, rastreando otros observables que también deberían ser sensibles a la saturación", explicó el físico de Brookhaven Lab Akio Ogawa, miembro de la colaboración STAR y un jugador clave en construyendo los nuevos sistemas detectores STAR delanteros.

Juntos, los resultados del RHIC también serán una base importante para mediciones muy similares en el futuro Electron-Ion Collider (EIC), que se está construyendo en Brookhaven para colisionar electrones con iones.

Según Aschenauer, uno de los físicos que diseñan los planes de investigación en esa instalación, "si medimos esto ahora en RHIC, con una energía de colisión de 200 mil millones de electronvoltios (GeV), eso es muy similar a la energía de colisión que llegar al EIC. Eso significa que podemos usar el mismo observable en el EIC para probar si la recombinación y la saturación son propiedades universales de los núcleos, como predicen los modelos de saturación".

Ver el mismo resultado en ambas instalaciones "demostraría que estas propiedades no dependen de la estructura y el tipo de sonda que usamos para estudiarlas", dijo. + Explora más

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