Las estrellas de neutrones en el universo, los gases atómicos ultrafríos en el laboratorio y el plasma de quarks y gluones creado en colisiones de núcleos atómicos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC):pueden parecer totalmente ajenos pero, sorprendentemente, tienen algo en común. Todos ellos son un estado de materia similar a un fluido formado por partículas que interactúan fuertemente. Conocer las propiedades y el comportamiento de cualquiera de estos líquidos casi perfectos puede ser clave para comprender la naturaleza en escalas que están separadas por órdenes de magnitud.
En un nuevo artículo, la colaboración CMS informa sobre la medición más precisa hasta la fecha de la velocidad a la que viaja el sonido en el plasma de quarks-gluones, ofreciendo nuevos conocimientos sobre este estado extremadamente caliente de la materia.
El sonido es una onda longitudinal que viaja a través de un medio, produciendo compresiones y rarefacciones de la materia en la misma dirección de su movimiento. La velocidad del sonido depende de las propiedades del medio, como su densidad y viscosidad. Por tanto, puede utilizarse como sonda del medio.
En el LHC, el plasma de quarks y gluones se forma en colisiones entre iones pesados. En estas colisiones, durante una muy pequeña fracción de segundo, se deposita una enorme cantidad de energía en un volumen cuyo tamaño máximo es el del núcleo de un átomo. Los quarks y gluones que emergen de la colisión se mueven libremente dentro de esta área, proporcionando un estado fluido de la materia cuya dinámica colectiva y propiedades macroscópicas están bien descritas por la teoría.
La velocidad del sonido en este entorno se puede obtener a partir de la velocidad a la que cambia la presión en respuesta a variaciones en la densidad de energía o, alternativamente, de la velocidad a la que cambia la temperatura en respuesta a variaciones en la entropía, que es una medida del desorden en un entorno. sistema.
En las colisiones de iones pesados, la entropía se puede deducir del número de partículas cargadas eléctricamente emitidas por las colisiones. La temperatura, por otro lado, se puede deducir del momento transversal promedio (es decir, el momento transversal al eje de colisión) de esas partículas.
Utilizando datos de colisiones plomo-plomo con una energía de 5,02 billones de electronvoltios por par de nucleones (protones o neutrones), la colaboración CMS ha medido por primera vez cómo varía la temperatura con la entropía en las colisiones centrales de iones pesados, en las que los Los iones chocan de frente y se superponen casi por completo.
De esta medición obtuvieron un valor de la velocidad del sonido en este medio que es casi la mitad de la velocidad de la luz y tiene una precisión récord:en unidades de la velocidad de la luz, la velocidad del sonido al cuadrado es 0,241, con una incertidumbre estadística. de 0,002 y una incertidumbre sistemática de 0,016. Utilizando el momento transversal medio, también determinaron que la temperatura efectiva del plasma de quarks y gluones era de 219 millones de electronvoltios (MeV), con una incertidumbre sistemática de 8 MeV.
Los resultados coinciden con las expectativas teóricas y confirman que el plasma de quarks y gluones actúa como un fluido formado por partículas que transportan enormes cantidades de energía.
El artículo está publicado en arXiv. servidor de preimpresión.
Más información: Extrayendo la velocidad del sonido en la materia que interactúa fuertemente creada en las colisiones ultrarelativistas plomo-plomo en el LHC, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2401.06896
Información de la revista: arXiv
Proporcionado por CERN
