Los científicos que estudian las colisiones de partículas en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) han revelado cómo ciertos chorros de partículas pierden energía a medida que atraviesan la forma única de materia nuclear creada en estas colisiones. Los resultados, publicados en Physical Review C , debería ayudarlos a aprender sobre las "propiedades de transporte" clave de esta sopa de partículas calientes, conocida como plasma de quarks-gluones (QGP).

"Al observar cómo los chorros de partículas se ralentizan a medida que se mueven a través del QGP, podemos aprender sobre sus propiedades de la misma manera que estudiar cómo se mueven los objetos a través del agua puede decir algo sobre su densidad y viscosidad", dijo Raghav Kunnawalkam Elayavalli, un estudiante postdoctoral. becario de la Universidad de Yale y miembro de la colaboración del experimento STAR de RHIC.

Pero hay varias formas en que un avión puede perder energía o "apagarse". Por lo tanto, puede ser difícil saber cuál de esas causas está creando el efecto de extinción.

Con los nuevos hallazgos, por primera vez, STAR ha identificado una población específica de chorros para los cuales los físicos dicen que pueden identificar claramente el mecanismo:quarks individuales que emiten gluones cuando interactúan con el QGP.

Los teóricos ahora pueden usar los datos para refinar sus cálculos que describen las propiedades fundamentales de la sopa de quarks calientes.

"Los chorros son muy útiles porque te dicen cómo interactúan estos quarks entre sí", dijo Kolja Kauder, otro autor principal del análisis, que es físico en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., donde se encuentra el RHIC. "Esta es la esencia de la 'cromodinámica cuántica':la teoría que describe las interacciones de las fuerzas nucleares fuertes de los quarks y los gluones. Estamos aprendiendo más sobre esa fuerza fundamental de la naturaleza al estudiar cómo se extinguen estos chorros".

Al principio

La fuerza fuerte juega un papel importante en la construcción de la estructura de todo lo que vemos hoy en el universo. Eso es porque toda la materia visible está hecha de átomos con protones y neutrones en su núcleo. Esas partículas, a su vez, están formadas por quarks, que se mantienen unidas por el intercambio de partículas portadoras de fuerza fuerte:los gluones similares a pegamento.

Pero los quarks no siempre estuvieron unidos. Los científicos creen que los quarks y los gluones deambularon libremente muy temprano en el universo, un mero microsegundo después del Big Bang, antes de que la sopa primordial de los bloques de construcción fundamentales de la materia se enfriara lo suficiente como para que se formaran protones y neutrones. RHIC, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de física nuclear, se construyó para recrear y estudiar este plasma de quarks y gluones.

RHIC recrea la sopa de quarks del universo primitivo dirigiendo los núcleos de átomos pesados ​​como el oro en colisiones frontales a casi la velocidad de la luz. La energía liberada crea miles de nuevas partículas subatómicas, incluidos los quarks (recuerde que la energía puede crear masa y viceversa a través de la famosa ecuación E=mc ² ). También "derrite" los límites de los protones y neutrones individuales para liberar los quarks y gluones internos.

Los científicos han estado rastreando cómo los diferentes tipos de partículas fluyen a través del plasma de quarks-gluones resultante durante más de dos décadas. Estos incluyen aerosoles o chorros colimados de partículas que resultan de la fragmentación de un quark o gluón. En general, los científicos han descubierto que las partículas de alto impulso y los chorros pierden energía cuando atraviesan la burbuja de QGP caliente. A través de este nuevo estudio, han identificado detalles de un mecanismo específico para apagar los chorros en un subconjunto de chorros.

Seguimiento de 'dijets' en diferentes ángulos

Este estudio se centró específicamente en los chorros de partículas producidos uno al lado del otro (llamados dijets), donde un chorro cerca de la superficie de la gota QGP escapa fácilmente con mucha energía, mientras que el chorro de retroceso que recorre una ruta más larga en la dirección opuesta obtiene apagada por el plasma. Los físicos de STAR rastrearon la energía de las partículas que forman el "cono" del chorro de retroceso. Comparar eso con la energía del chorro escapado (o "disparador") les dice cuánta energía se perdió.

También dividieron todos los eventos en aquellos que produjeron chorros relativamente estrechos y aquellos que produjeron un rocío más amplio de partículas.

"Nuestra intuición nos dice que algo más ancho que se mueve a través del medio debería perder más energía", dijo Kunnawalkam Elayavalli. "Si el chorro es angosto, puede atravesarlo y esperaría menos pérdida de energía que con un chorro más ancho, que ve más plasma. Esa era la expectativa".

Piense en un gran nadador que se mueve por el agua de una manera no aerodinámica, sugirió. Esperarías ver una estela más ancha alejándose más de la persona que la estela de un nadador delgado y aerodinámico. En el caso de las partículas, los físicos esperaban que la "estela" más amplia producida por chorros más anchos empujara las partículas más allá de los límites de su detección.

"Pero lo que encontramos es que, con este subconjunto particular de chorros que estudiamos en RHIC, no importa cuál sea el ángulo de apertura del chorro; todos pierden energía de la misma manera".

Tanto para los chorros estrechos como para los anchos, la suma de la energía de todas las partículas de alto y bajo impulso dentro del "cono" podría dar cuenta de toda la energía "perdida" en el enfriamiento. Es decir, aunque estos chorros experimentaron pérdida de energía, tanto en los chorros anchos como en los estrechos, la energía perdida se convirtió en partículas de menor impulso que permanecieron dentro del cono del chorro.

"Cuando los chorros pierden energía, esa energía perdida se convierte en partículas de menor impulso. No se puede simplemente perder energía; tiene que ser conservada", dijo Kauder de Brookhaven. La sorpresa fue que toda la energía se quedó dentro del cono.

Las implicaciones

Los resultados tienen implicaciones importantes para comprender cuándo ocurre la extinción de estos chorros.

"No ver una diferencia entre los chorros anchos y estrechos significa que el mecanismo de pérdida de energía es independiente de la subestructura del chorro. La pérdida de energía debe haber ocurrido antes de que los chorros se dividieran, antes de que hubiera un ángulo de apertura, estrecho o ancho", Kunnawalkam dijo Elayavalli.

La secuencia de eventos más probable:"Probablemente, un solo quark que atravesaba el plasma irradió gluones (desprendió energía) al interactuar con otros quarks en el QGP, luego se dividió para producir la subestructura del chorro. Los gluones se convierten en otras partículas de menor momento que permanecer dentro del cono, y esas son las partículas que medimos", dijo.

Si la pérdida de energía ocurrió después de la división del chorro, cada partícula que forma la subestructura del chorro habría perdido energía, con una mayor probabilidad de que las partículas se esparcieran más allá del cono del chorro; en otras palabras, formando una "estela" más allá del área donde los físicos podría medirlos.

Conocer el mecanismo específico de pérdida de energía de estos chorros ayudará a los teóricos a refinar sus cálculos de cómo la pérdida de energía se relaciona con las propiedades de transporte de QGP, propiedades que son algo análogas a la viscosidad y la densidad del agua. También brindará a los físicos una forma de comprender más acerca de las interacciones fundamentales de fuerza fuerte entre los quarks.

"Obtener una comprensión cuantitativa de las propiedades de este plasma es fundamental para estudiar la evolución del universo primitivo", dijo Kunnawalkam Elayavalli, "incluyendo cómo esa sopa primordial de partículas se convirtió en los protones y neutrones de los núcleos de átomos que forman nuestro mundo". hoy.

"Esta medida esencialmente inicia la próxima era de la física de chorro en RHIC, lo que nos permitirá estudiar diferencialmente la evolución espacio-temporal del QGP". + Explora más

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