Físicos de la Universidad Eötvös Loránd (ELTE) investigan la materia que constituye el núcleo atómico utilizando los tres aceleradores de partículas más potentes del mundo. Su atención se ha centrado en mapear la "sopa primordial" que llenó el universo en la primera millonésima de segundo después de su creación.

Curiosamente, sus mediciones mostraron que el movimiento de las partículas observadas se parece a la búsqueda de presas de depredadores marinos, los patrones del cambio climático y las fluctuaciones del mercado de valores.

Inmediatamente después del Big Bang, las temperaturas eran tan extremas que no podían existir los núcleos atómicos, ni tampoco los nucleones, sus componentes básicos. De ahí que en esta primera instancia el universo estuviera lleno de una "sopa primordial" de quarks y gluones.

A medida que el universo se enfrió, este medio sufrió una "congelación", lo que llevó a la formación de partículas que conocemos hoy, como protones y neutrones. Este fenómeno se replica a una escala mucho menor en experimentos con aceleradores de partículas, donde las colisiones entre dos núcleos crean pequeñas gotas de materia de quarks. Estas gotas finalmente pasan a la materia ordinaria mediante congelación, una transformación conocida por los investigadores que realizan estos experimentos.

Sin embargo, las propiedades de la materia de los quarks varían debido a las diferencias de presión y temperatura que resultan de la energía de colisión en los aceleradores de partículas. Esta variación requiere mediciones para "escanear" la materia en aceleradores de partículas de diferentes energías, el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) en los EE. UU., o el Super Sincrotrón de Protones (SPS) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza.

"Este aspecto es tan crucial que en todo el mundo, por ejemplo en Alemania o Japón, se están construyendo nuevos aceleradores específicamente para este tipo de experimentos. Quizás la pregunta más importante es cómo se produce la transición entre fases:puede surgir un punto crítico en la fase mapa", explica Máté Csanád, profesor de física en el Departamento de Física Atómica de la Universidad Eötvös Loránd (ELTE).

El objetivo a largo plazo de la investigación es profundizar nuestra comprensión de la interacción fuerte que gobierna las interacciones en la materia de los quarks y en los núcleos atómicos. Nuestro nivel actual de conocimiento en esta área se puede comparar con el conocimiento de la electricidad por parte de la humanidad durante las eras de Volta, Maxwell o Faraday.

Si bien tenían una noción de las ecuaciones fundamentales, fue necesaria una cantidad considerable de trabajo experimental y teórico para desarrollar tecnologías que han transformado profundamente la vida cotidiana, desde la bombilla hasta los televisores, los teléfonos, las computadoras e Internet. De manera similar, nuestra comprensión de la interacción fuerte aún es embrionaria, por lo que la investigación para explorarla y mapearla es de vital importancia.

Los investigadores de ELTE han participado en experimentos en cada uno de estos aceleradores mencionados anteriormente, y su trabajo durante los últimos años ha permitido obtener una imagen completa de la geometría de la materia de los quarks. Lo lograron mediante la aplicación de técnicas de femtoscopia. Esta técnica utiliza las correlaciones que surgen de la naturaleza ondulatoria no clásica, de tipo cuántico, de las partículas producidas, que al final revela la estructura a escala femtométrica del medio, la fuente emisora ​​de partículas.

"En las décadas anteriores, la femtoscopia se practicaba partiendo del supuesto de que la materia de los quarks sigue una distribución normal, es decir, la forma gaussiana que se encuentra en tantos lugares de la naturaleza", explica Márton Nagy, uno de los investigadores principales del grupo. Sin embargo, los investigadores húngaros recurrieron al proceso de Lévy, conocido también en diversas disciplinas científicas, como marco más general y que describe bien la búsqueda de presas por parte de los depredadores marinos, los procesos bursátiles e incluso el cambio climático. /P>

Un rasgo distintivo de estos procesos es que en ciertos momentos sufren cambios muy grandes (por ejemplo, cuando un tiburón busca alimento en una nueva área), y en tales casos puede ocurrir una distribución de Lévy en lugar de una distribución normal (gaussiana).

Esta investigación tiene una importancia significativa por varias razones. Principalmente, una de las características más estudiadas de la congelación de la materia quark, su transformación en materia convencional (hadrónica), es el radio femtoscópico (también llamado radio HBT, teniendo en cuenta su relación con el conocido efecto Hanbury Brown y Twiss en astronomía), que se deriva de mediciones femtoscópicas. Sin embargo, esta escala depende de la geometría supuesta del medio.

Como resume Dániel Kincses, investigador postdoctoral del grupo, "si el supuesto gaussiano no es óptimo, entonces los resultados más precisos de estos estudios sólo pueden obtenerse bajo el supuesto de Lévy. El valor del 'exponente de Lévy', que caracteriza la distribución de Lévy, también puede arrojar luz sobre la naturaleza de la transición de fase, por lo que su variación con la energía de colisión proporciona información valiosa sobre las diferentes fases de la materia de los quarks."

Los investigadores de ELTE participan activamente en cuatro experimentos:NA61/SHINE en el acelerador SPS, PHENIX y STAR en RHIC y CMS en el LHC. El grupo NA61/SHINE de ELTE está liderado por Yoshikazu Nagai, el grupo CMS por Gabriella Pásztor; y los grupos RHIC de Máté Csanád, quien también coordina la investigación sobre femtoscopia de ELTE.

Los grupos están haciendo contribuciones sustanciales al éxito de experimentos en diversas capacidades, que van desde el desarrollo de detectores hasta la adquisición y análisis de datos. También participan en muchos proyectos e investigaciones teóricas. "Lo que es único en nuestra investigación sobre femtoscopia es que se lleva a cabo en cuatro experimentos en tres aceleradores de partículas, lo que nos brinda una visión amplia de la geometría y las posibles fases de la materia de los quarks", afirma Máté Csanád.

El equipo presentó sus últimos hallazgos en el Taller sobre correlaciones de partículas y femtoscopia, celebrado del 6 al 10 de noviembre de 2023. Como parte de colaboraciones a gran escala, también publicaron investigaciones relacionadas en The European Physical Journal C. , Letras de Física B y Universo .

Más información: Márton Nagy et al, Un método novedoso para calcular funciones de correlación de Bose-Einstein con interacción de estado final de Coulomb, The European Physical Journal C (2023). DOI:10.1140/epjc/s10052-023-12161-y

Balázs Kórodi et al, Investigación evento por evento de la función fuente de dos partículas en colisiones sNN=2,76 TeV PbPb con EPOS, Physics Letters B (2023). DOI:10.1016/j.physletb.2023.138295

Bálint Kurgyis et al, Correcciones de Coulomb para correlaciones de Bose-Einstein a partir de funciones fuente de tipo Lévy unidimensionales y tridimensionales, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070328

Barnabás Pórfy, Medición de correlación femtoscópica con fuente simétrica tipo Lévy en NA61/SHINE, Universe (2023). DOI:10.3390/universo9070298

Ayon Mukherjee, Femtoscopia de Kaon con fuentes estables de Lévy de colisiones Au+Au sNN=200 GeV en RHIC, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070300

László Kovács, femtoscopia de Kaon cargada con fuentes de Lévy en colisiones sNN =200 GeV Au+Au en PHENIX, Universo (2023). DOI:10.3390/universo9070336

Información de la revista: Letras de Física B

Proporcionado por la Universidad Eötvös Loránd