En noviembre, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN comenzó su primera carrera de iones pesados, produciendo colisiones plomo-plomo con la mayor energía del centro de masas jamás lograda. Ahora, un par de documentos que aparecen en la revista Physical Review Letters, de los experimentos ALICE ( ver aquí ) y ATLAS (ver aquí) en el LHC, presentan un primer vistazo de lo que la nueva información de estas colisiones de alta energía ofrecerá sobre el plasma de quarks y gluones- el estado de la materia que se cree llenó el universo en el momento del Big Bang. Los resultados de ALICE indican claramente que el plasma quark-gluón permanece en un estado líquido casi ideal, como fue visto anteriormente en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC), incluso a energías significativamente mayores. Como complemento de este trabajo, el equipo del ATLAS ha mostrado que incluso chorros de muy alta energía de partículas emitidas por la colisión pierden una gran parte de su energía en el plasma quark-gluón (y algunas veces son completamente disipadas), una señal de que los quarks y los gluones están fuertemente interactúando con el plasma más caliente.
El plasma quark-gluón (QGP) es el estado extremo de la materia que se produce por encima de una temperatura crítica Tc~170 MeV (2 billones de grados Kelvin). A diferencia del mundo en que vivimos, donde los quarks y los gluones no están libres, sino confinados en los nucleones, el QGP puede ser visto como un plasma compuesto de quarks y gluones que interactúan a través de fuerzas Coulombicas. (La carga de"color" de los quarks y los gluones determina la intensidad de la fuerza fuerte de la misma manera que la carga eléctrica determina la intensidad de la fuerza electromagnética.) Los experimentos de colisiones en el laboratorio tratan de comprender la intensidad de estas fuerzas y sus efectos sobre las propiedades de la QGP.
Anteriormente en los experimentos del año 2000 en las instalaciones del RHIC del Laboratorio Nacional Brookhaven, la pregunta principal era la mejor manera de estudiar la termodinámica y la cinética del plasma quark-gluón. En particular, conocer elcamino libre medio de las partículas en el plasma era importante porque determina si el QGP se comporta como un líquido o un gas. Los experimentos del RHIC esencialmente respondieron a estas preguntas mediante la observación de la explosión ( el "Pequeño Bang" ) creado en la colisión de alta energía de iones de oro. Los experimentos mostraron que el plasma resultante puede ser excelentemente descrito por un cuadro hidrodinámico de un líquido casi ideal, en el cual las partículas tenían un camino libre medio que era efectivamente cero.
Los detectores del RHIC y el LHC, capturan la dinámica de la explosión mediante la medición de la simetría del posterior flujo de partículas: el flujo radial (ν0) , el flujo elíptico (ν2) , el flujo triangular (ν3), y así sucesivamente. (Estos son realmente las componentes de Fourier del flujo, proyectadas sobre los armónicos
En el RHIC, la medición de cómo las componentes de este flujo varían de acuerdo con diferentes condiciones experimentales proporcionaron información sobre la materia en un rango de temperatura de entre 0.5Tc y 2Tc . El LHC tiene una energía de colisión mayor que el RHIC, por lo que se esperó producir materia más caliente. Mostrándose que este es el caso, un documento complementario del ALICE proporciona la primera medición de la densidad de las partículas cargadas producidas en las colisiones (ver aquí ) .ALICE determinó el número de partículas cargadas, o "multiplicidad" de una colisión, en función de la "pseudorapidez"-una medida del ángulo de las trayectorias de las partículas con respecto a la línea de colisión. Mediante la medición de la multiplicidad, ALICE fue capaz de calibrar la temperatura del plasma en el LHC en comparación con la producida en el RHIC, resultando(en los primeros tiempos de la explosión) la relación entre la temperaturas TLHC(t)/TRHIC(t)=1.3. Sin embargo, la temperatura inicial en el LHC podría ser incluso mayor, ya que es probable que el plasma se equilibre en un momento más temprano que en el RHIC.
Algunos investigadores esperaban que el QGP(plasma Quark-Gluón) producido en el LHC cambiaría a un régimen en el que los quarks y los gluones estuvieran más débilmente acoplados a una temperatura más alta. Si es así, el camino medio libre de las partículas en el plasma y la viscosidad deberían ser más grande,siendo esto la firma experimental de cuales serían las más pequeñas componentes del flujo (νn). Sin embargo, como los resultados de ALICE han demostrado claramente, este no es el caso. Como se observa en la figura. 1, el parámetro que caracteriza la naturaleza elíptica del flujo líquido, ν2 , en realidad ha crecido en un 30%, exactamente como se predijo por la hidrodinámica (ideal) hace una década ( ver aquí ). La dependencia de ν2 del momento transversal es casi idéntica a la que se midió en el RHIC, y ALICE ha demostrado que el flujo radial ν0 también crece con la energía.
figura nº 1 , el experimento ALICE sugiere que el plasma quark-gluónpermanece como un líquido fuertemente acoplado incluso a temperaturas que son 30 % más grande de lo que estaba disponible en el RHIC.El gráfico muestra el parámetro flujo eliptico V2(una medida del acoplamiento en el plasma) a diferentes energías de colisiones de iones pesados,basados sobre varios experimentos(incluyendo los nuevos datos de ALICE).(Note que la escala de energía está trazada sobre una escala logaritmica y se extiende tres órdenes de magnitud).La tendencia es consistente con predicciones teóricas(diamantes rojos en la gráfica) para unlíquido ideal.Crédito.Credit: G. Aad et al.
Uno de los descubrimientos más importantes en el RHIC fue que los chorros de partículas son fuertemente atenuados cuando interactúan con el plasma quark-gluón. Pares de chorros de partículas energéticas se producen cuando los quarks y los gluones dentro del núcleo en colisión se dispersan entre sí en ángulos grandes. Si los chorros se producen cerca del borde del plasma, el chorro que se mueve hacia el exterior será detectado, sin cambios en la energía, pero el que tiene que moverse a través del plasma pierde mucha energía. En el RHIC, la energía transversal de los chorros observada fué de aproximadamente E⊥~20–30 GeV , lo que hacía difícil para los detectores verla en contra del gran y fluctuante fondo de miles de partículas. La mayor energía disponible en el LHC, así como el excelente y finamente granulado calorímetro del ATLAS, permitieron detectar y medir los chorros con una energía transversal desde 25 GeV hasta muy por encima de 100 GeV (ver Fig. 2, izquierda). En el centro de las colisiones plomo-plomo, la probabilidad de un gran chorro asimétrico (es decir, un chorro que llega al detector con más energía que su chorro compañero que se mueve en la dirección opuesta) resulta ser completamente diferente del de las colisiones protón-protón . Puesto que no hay plasma quark-gluón para detenerlos en este último caso, ambos chorros suelen tener alrededor de la misma energía, pero en las colisiones plomo-plomo, en las cuales el segundo chorro es forzado a moverse a través del plasma, la asimetría medida implica que , en promedio, más de la mitad de la energía del chorro se pierde (Fig. 2, derecha). El ATLAS asi mismo ha observado eventos extremadamente asimétricos, en los cuales tales chorros de alta energía, básicamente, se disipan por completo, sin un chorro compañero.
figura nº 2,el lado izquierdo muestra el ejemplo de un chorro sin un compañero visible.El lado derecho muestra chorros asimétricos (donde un chorro pierde la mayor parte de su energía) estos son raros en colisiónes protón-protón pero las mediciones del ATLAS mostraron que tales eventos ocurren con una alta probabilidad en colisiones plomo-plomo.La asimetría Aj para 2 chorros con energías E1 y E2 está definida como Aj=(E1-E2)/(E1+E2).Crédito.Credit: G. Aad et al.
¿Qué nos dicen estos resultados sobre el plasma de quarks y gluones? Que el camino libre medio de partículas en el plasma puede ser convenientemente expresados a través de una relación sin dimensiones (η/sħ), donde η es la viscosidad de corte, s es la densidad de la entropía y ħ es la constante de Planck. En un plasma quark-gluón acoplado débilmente, el camino libre medio debería ser grande (η/sħ≫1), mientras debería ser pequeño en un plasma fuertemente acoplado. El análisis de datos del RHIC ha demostrado que es extremadamente pequeño, cercano al teóricamente conjeturado más bajo límite de η/sħ=1/4π para un acoplamiento infinitamente fuerte (ver aquí) .Que esta imagen de acoplamiento fuerte se mantenga para el QGP visto en el LHC parece ahora probable. Ingenuamente, uno podría haber esperado que en comparación con los chorros producidos en el RHIC, los chorros de energía más alta disponibles en el LHC viajarían más lejos a través del plasma antes de disipar por completo su energía, pero las mediciones del ATLAS mostraron que la distancia de frenado de un chorro es comparable al radio de los núcleos de plomo utilizados en las colisiones. (La energía / momento va depositada dentro de una onda de sonido o choque[ ver aquí y aquí ], la cual todavía tiene que propagarse por algún tiempo, hasta que al final se congela, convirtiéndose en los hadrones observados.) Una teoría que podría explicar este sorprendente resultado es una teoría de acoplamiento fuerte llamada Correspondencia AdS / CFT , que es una prolongación de la teoría de cuerdas que relaciona el límite de acoplamiento fuerte de los quarks y gluones a una teoría de la gravedad en una dimensión superior. En este cuadro de la AdS / CFT , el equilibrio del plasma de quarks y gluones se conecta a la producción de un agujero negro, y el chorro que se extingue puede ser trazado cayendo en este agujero negro (ver aquí y aquí ).Las predicciones basadas en esta teoría sugieren que la distancia de frenado de un chorro varía como E⊥1/3/T4/3 (ver aquí ), lo que significa que en el LHC, un chorro con E⊥=100 GeV se detiene a la misma distancia que un chorro de 35 GeV en el RHIC-similar a lo observado por el ATLAS. En conjunto, estos resultados desde el ATLAS y ALICE están proporcionando nueva evidencia de que el plasma quark-gluón producido en el LHC está todavía fuertemente acoplado. Después de sólo tres semanas de la carrera del LHC con iones pesados, estamos asistiendo a un comienzo muy emocionante de esta nueva era.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v3/105#c2
No hay comentarios:
Publicar un comentario