lunes, 30 de julio de 2012

Experimento Alice. Créditos: CERN.

LHC y RHIC proporcionan una visión completamente diferente de las fuerzas fundamentales.

Las colisiones de protones del LHC, que con éxito apuntan a la evidencia del descubrimiento de la existencia del bosón de Higgs, han logrado también captar la atención, tanto en los medios de comunicación como en el CERN. Pero, por espacio de algunas semanas cada año, el colisionador cambia a colisiones de iones de plomo. Las colisiones de iones pesados, de hecho, se consideran proporcionan información clara de tal manera que EE.UU. ha mantenido en funcionamiento el Acelerador Relativista de Iones Pesados, que se dedica a colisionar iones pesados, aun cuando se apague el Tevatron, seguirá dedicado a la colisión protón/antiprotón.

Justo en la convocatoria de investigación sobre el bosón de Higgs, la ciencia está realizando una revisión de las colisiones de iones pesados, que sirven para explicar aspectos que en ocasiones poco tienen que ver con las colisiones de protones. Además de que ofrecen un buen panorama de cómo el LHC proporcionará nuevos datos, las mejoras que han tenido lugar en el RHIC ayudan a mantenerla relevante.

La materia que vemos a nuestro alrededor está compuesta principalmente por protones y neutrones. Estos, a su vez, están compuestos de quarks y gluones, que mediante la fuerza nuclear fuerte permanecen unidos. Debido a que la potencia de la la fuerza aumenta a partir de la distancia, la ruptura de un nucleón (protón o neutrón) generalmente requiere altos niveles de energía que, básicamente produce una explosíón del nucleón en parte. Este es precisamente el tipo de cosa que sucede durante las colisiones de protones que tienen lugar en el LHC.

Las colisiones de iones pesados de plomo en el LHC y oro en el RHIC, implican un gran número de nucleones, en el orden de 400. Eso crea un ambiente muy diferente. Los quarks y los gluones que se producen en una colisión de protones tienden a tener nada más que espacio vacío a su alrededor. En una colisión de iones pesados, el gran número de nucleones que se rompen a la vez significa que, se desplazan hacia un espacio vacío. Quarks y gluones, tienen así una oportunidad de interactuar con los nucleones cercanos Como resultado de ello, por un breve instante, las colisiones no se parecen nada más a una explosión, sino que se parece más a los límites de fusión de nucleones, dejando tras de sí un mar de quarks y gluones que están interactuando.

El material resultante, llamado plasma de quarks y gluones, no es sólo interesante en el terreno teórico. En los primeros momentos de la existencia del Universo, la densidad de energía era tan alta que toda la materia normal estaba en este estado. Toma cerca de un segundo que se enfríe lo suficiente como para que protones se condensen en el Plasma de Quarks y Gluones (QGP). Pero, antes de que el segundo haya transcurrido, el Universo había pasado por su período inflacionario, sembrando las semillas de las estructuras a gran escala que vemos hoy.

¿Qué sucede realmente en las formas QGP? La revisión divide las cosas en tres etapas. En la primera porción, los gluones recién liberados forman una densa malla de interacciones. Esto prepara el escenario para la fase 2, donde los quarks, bajo la influencia de los campos generados por los gluones, forman el QGP real. Esta sopa de partículas con rapidez "térmica" la energía se convierte en una significativa distribución uniforme entre sus componentes. Mientras esto sucede, el QGP comienza a expandirse.

A pesar de su elevadísima densidad, la QGP muestra una viscosidad de corte que es pequeño, por lo que el QGP es uno de los estados más cercanos que hemos a un líquido cuántico ideal. Sorprendentemente, su comportamiento está muy bien descrito por las ecuaciones utilizadas en la teoría de cuerdas para describir un agujero negro de cinco dimensiones. Sin embargo la correspondencia tiene sus limitaciones y la revisión sugiere que la búsqueda de formas para extender su comparación podría dar a los experimentadores más elementos por buscar.

En cualquier caso, la expansión QGP, presenta una densidad de energía baja y finalmente alcanza el punto en que cae por debajo de lo que es necesario para mantener el plasma. En esta etapa, diversas partículas pasan a un estado de "congelación" incluyendo nucleones y otras partículas más exóticas.

¿Cómo se estudia este proceso? Una de las maneras más simples es simplemente hacer un seguimiento de todas las partículas que se congelan a cabo, y rastrear de nuevo a de donde vinieron. Esto permite a los investigadores reconstruir la forma en como el QGP como partículas se condensan fuera de él. Las colisiones también crean algunas partículas de alta energía que se inician fuera del plasma, pero con un impulso que los lleva en ella. Si estas partículas son los quarks, pueden participar en las interacciones con el QGP. En el caso de los quarks ligeros, se ralentiza considerablemente. Pero ​​quarks más pesados simplemente irradian algo de energía (en forma de gluones) y pasan a través sin perder mucho impulso, proporcionando una sonda sensible a las condiciones dentro de la QGP.

Aquí es donde la mayor energía del LHC podría ser útil. Las colisiones de iones de plomo son de alta energía suficiente como para producir bosones Z, los portadores de fuerza nuclear débil. Estos deben ser capaces de atravesar la QGP y proporcionan una sonda muy diferente de las condiciones dentro de él, ya que no interactúan de la misma manera que los quarks. Hasta el momento, la información generada en el LHC ha ampliado en gran medida los resultados de RHIC en los dominios de energía.

Mientras tanto, el RHIC no se queda atrás. En las adiciones a las actualizaciones de sus detectores, la cadena de acelerador ha sido modificado para proporcionar la capacidad de colisión para diferentes iones. Los autores de la revisión, por ejemplo, están entusiasmados con la posibilidad de colisionar iones de uranio. El núcleo de estos átomos es asimétrica, por lo que algunas de las colisiones deben proporcionar QGPs con formas distintas, que pueden variar el tiempo de tránsito que se llevará a través de las partículas del plasma. Las colisiones asimétricas también pueden proporcionar una visión de las primeras etapas de formación de redes de interacción de gluones, que siguen siendo poco conocidas.

En cualquier caso, si bien estas colisiones no van a resultar en el descubrimiento de nuevas partículas, el trabajo continuo en el RHIC y el LHC deberá proporcionar una imagen más clara de la formación y el comportamiento del plasma de quark-gluón, y en el proceso, proporcionar nosotros una mejor comprensión de los primeros momentos del Universo.

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