Las colisiones de iones de alta energía en el Gran Colisionador de Hadrones son capaces de producir un plasma de quarks y gluones. Pero, ¿son realmente necesarios los núcleos atómicos pesados ​​para su formación? Y sobre todo:¿cómo nacen posteriormente las partículas secundarias de este plasma? El último análisis de las colisiones entre protones y protones o iones, observado en el experimento LHCb, proporciona más pistas en la búsqueda de respuestas a estas preguntas.

Cuando núcleos atómicos pesados ​​chocan a las energías más altas en el LHC, se crea un plasma de quarks y gluones durante un momento inimaginablemente breve. Se trata de un estado exótico de la materia en el que los quarks y los gluones, normalmente atrapados en protones o neutrones, ya no están estrechamente unidos. Este estado no es permanente:a medida que desciende la temperatura, los quarks y gluones se hadronizan rápidamente, es decir, se vuelven a unir entre sí, produciendo corrientes de partículas secundarias que divergen en diferentes ángulos.

Los detalles del proceso de hadronización, un fenómeno fundamental para nuestra comprensión de los fundamentos de la realidad física, siguen siendo un misterio. Los análisis recién completados de las colisiones del experimento LHCb, llevados a cabo con la participación de físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia, han proporcionado nuevas pistas.

Los hallazgos se publican en el Journal of High Energy Physics. .

"La hadronización ocurre en escalas de tiempo de yoctosegundos, es decir, billonésimas de una billonésima de segundo, en distancias del tamaño de femtómetros, es decir, millonésimas de una billonésima de metro. Los fenómenos que ocurren tan extremadamente rápido y en escalas tan microscópicas no serán directamente observables durante un tiempo. Aún falta mucho tiempo, tal vez nunca", explica el profesor Marcin Kucharczyk (FIP PAN), coautor del artículo.

"Por lo tanto, estamos tratando de inferir lo que le sucede al plasma de quarks y gluones observando ciertas correlaciones cuánticas específicas entre las partículas producidas en las colisiones. Hemos estado realizando este tipo de análisis durante años, construyéndonos gradualmente una imagen más precisa del fenómeno a medida que La cantidad de datos procesados ​​aumenta."

¿Qué son exactamente las correlaciones cuánticas? En mecánica cuántica, las partículas se describen mediante funciones de onda. Si hay muchas partículas en el sistema que se está estudiando, sus funciones de onda pueden superponerse. Como ocurre con las ondas normales, se producen entonces interferencias. Si como resultado de ello se suprimen las funciones de onda, hablamos de correlaciones de Fermi-Dirac, si se potencian, de correlaciones de Bose-Einstein. Son estas últimas correlaciones, características de partículas idénticas, las que han atraído la atención de los científicos.

Los investigadores centraron su atención en las correlaciones de Bose-Einstein que aparecen entre pares de piones o mesones pi. Ya se habían realizado análisis similares con datos de otros detectores que funcionan en el acelerador del LHC, pero estos sólo se referían a partículas que divergían en grandes ángulos desde el punto de colisión.

Mientras tanto, el diseño único del detector LHCb ha permitido a los físicos observar por primera vez partículas emitidas "hacia adelante", en ángulos desviados de la dirección del haz original en no más de una docena de grados. Los resultados obtenidos completan así la imagen del fenómeno formada por las mediciones realizadas en otros experimentos en el LHC.

La elección de la dirección "hacia adelante" no fue la única novedad. El análisis se realizó para los llamados sistemas pequeños, es decir, para colisiones protón-protón, protón-ion e ion-protón (los dos últimos casos no son idénticos, porque en un caso sólo un protón se mueve a gran velocidad, mientras que en el otro En otro caso, el núcleo está formado por muchos protones y neutrones).

Entre otras cosas, los investigadores querían descubrir si los fenómenos colectivos observados en las colisiones entre núcleos, asociados con el plasma de quarks y gluones, también podrían aparecer en colisiones de sistemas de partículas más pequeños.

"Hemos sometido las correlaciones encontradas a una mayor verificación. Por ejemplo, comprobamos cómo dependen de diferentes variables, como la multiplicidad de partículas cargadas. Además, como todas las colisiones se registraron con los mismos detectores y en las mismas condiciones, pudimos comprobar fácilmente si nuestras correlaciones cambian bajo diferentes configuraciones de sistemas de partículas en colisión", dice el profesor Kucharczyk.

Las conclusiones de los análisis son interesantes. Todo indica que en el LHC se puede producir plasma de quarks y gluones incluso en colisiones de un solo protón. Al mismo tiempo, las fuentes de emisión de partículas secundarias en las colisiones protón-protón parecen ser más pequeñas que en las colisiones mixtas. También se observó una interesante asociación entre correlaciones y ángulos con respecto al eje del haz de partículas producidas en las colisiones.

"La observación de correlaciones en sistemas pequeños ha provocado un debate sobre su origen. En particular, es intrigante la cuestión de si tienen el mismo origen que en las colisiones de iones pesados ​​y, en consecuencia, cuáles son exactamente las condiciones necesarias para producir un quark -¿Plasma de gluones? Algunos modelos actuales de este plasma suponen la presencia de fenómenos colectivos en el plasma, asociados con flujos. Los resultados de nuestros análisis parecen estar más cerca de estos modelos hidrodinámicos", añade el profesor Kucharczyk.

Sólo eso:¿realmente estamos lidiando con flujos de plasma de quarks y gluones durante la hadronización? Los modelos teóricos actualmente existentes sobre el fenómeno son de naturaleza fenomenológica, lo que significa que deben calibrarse con datos obtenidos de experimentos.

A pesar de esto, ninguno de los modelos puede reproducir los resultados de las mediciones con una precisión satisfactoria. Por lo tanto, parece que a los físicos todavía les queda mucho trabajo por delante antes de conocer la verdadera naturaleza de los procesos del plasma de quarks y gluones.

Más información: Aaij, R et al, Estudio de las correlaciones de Bose-Einstein de piones del mismo signo en colisiones protón-plomo, Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP09(2023)172

Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias