Mirando hacia la hirviente sopa de materia primordial creada en colisiones de partículas en el Relativistic Heavy Ion Collider RHIC - un "destructor de átomos" dedicado a la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. - los científicos han llegado auna nueva comprensión de cómo se producen las partículas en estas colisiones. Esta comprensión representa un cambio de paradigma consistente con la presencia de un estado saturado de gluones, campos súper densos de partículas similares a pegamento que unen los bloques de construcción de la materia ordinaria.
Como se describe en un artículo recién publicado Cartas de revisión física , el descubrimiento surgió cuando los científicos buscaron una forma de separar los resultados de colisión por forma en RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Queremos comparar eventos de colisión de formas diferentes para poder descubrir la influencia de la geometría en los patrones de partículas que vemos fluir hacia nuestro detector", dijo el físico de Brookhaven Paul Sorensen, miembro de la colaboración del detector STAR de RHIC. Esos experimentosayudaría a los científicos a comprender mejor las fluctuaciones en la composición interna de los iones y su influencia en las características de la materia creada en RHIC, una sopa de quarks y gluones subatómicos conocida como plasma quark-gluon QGP.
"Este estudio muestra que podemos separar los datos de las colisiones de iones con formas diferentes", dijo Sorensen. "Y en el camino, también encontramos resultados sorprendentes y posiblemente aún más interesantes con respecto al papel que la estructura interna de las partículas probablemente juega en la creaciónel QGP "
oro contra uranio
RHIC se configuró por primera vez para colisionar iones de oro para crear y estudiar el plasma quark-gluon. Incluso los primeros resultados insinuaron que la forma de la zona de colisión es importante.
Por ejemplo, en colisiones donde los iones de oro esféricos se cruzan de manera descentrada, superpuestos como un diagrama de Venn, crean una región de interacción oblonga con forma de balón de fútbol. En estas colisiones, el flujo de partículas que emergen alrededorel "ecuador" de la zona de colisión se mejora en relación con el de los "polos", especialmente cuando se compara con aplastamientos más superpuestos. Los científicos han estado estudiando las características detalladas de este "flujo elíptico" para comprender mejor las propiedades del quark.plasma de gluones y las características internas de los iones colisionantes.
Pero las colisiones descentradas de oro y oro también hacen que los protones cargados positivamente empaquetados dentro de los núcleos en colisión giren. Y esa carga positiva en remolino produce un campo magnético muy poderoso. Para estudiar los efectos de la región de interacción oblonga sin el campo magnético, los científicos de RHIC recurrieron al uranio.
A diferencia de los iones de oro, los iones de uranio tienen una forma alargada, similar a una pelota de fútbol, similar a la región de superposición en las colisiones de oro descentradas. Comparando las colisiones donde dos "pelotas de fútbol" chocan de punta a punta, produciendo una superposición esférica,con aquellos donde las pelotas de fútbol chocan en posición vertical, o cuerpo a cuerpo, en ambos casos con los iones superpuestos por completo, les daría a los científicos una forma de estudiar el efecto de la forma sin el campo magnético inducido por el remolino que se ve en los golpes de oro.Pero la primera pregunta era si los científicos podían resolver los resultados de los dos tipos de colisiones de uranio con orientación diferente.
"No hay forma de orientar selectivamente los iones para que colisionen de la manera que usted quiere", dijo Sorensen. "Estás atrapado con lo que obtienes. La clave es poder determinar cuál es cuál de los datos"."
Clasificación de las formas
Los físicos se propusieron clasificar los resultados analizando cómo y cuántas partículas emergen de las colisiones. Debería haber más flujo elíptico en los eventos verticales cuerpo a cuerpo que en las colisiones de punta a punta. Las colisiones de punta a punta deberíantambién, en promedio, producen más partículas que las de cuerpo a cuerpo, ya que a medida que las formas de fútbol oblongas se cruzan de punta a punta, hay más posibilidades de que las partículas internas sufran múltiples eventos de colisión dentro del mismo núcleo.los datos de todo el rango de colisiones de uranio en un gráfico para buscar una tendencia descendente en el flujo elíptico con el aumento de la producción de partículas.
También trazaron un conjunto similar de mediciones de colisiones de oro y oro, donde la forma esférica y el número de colisiones internas no cambian. Para estos datos, utilizados como control, esperaban que el patrón de flujo se mantuviera estable inclusoel número de partículas producidas aumentó
Inicialmente, los conjuntos de datos de colisiones de uranio y oro ambos mostró la misma tendencia de pendiente descendente. Pero cuando los científicos redujeron su análisis para incluir solo el 0.1 por ciento de las colisiones con la superposición de partículas más completa, apareció la firma esperada: una tendencia de pendiente descendente para el uranio y casi planalínea de oro.
"Esto fue un gran éxito porque ahora tenemos una manera de 'manipular' la geometría. Podemos seleccionar muestras de eventos de colisión de uranio con una orientación deseada seleccionando solo aquellos con baja producción de partículas si queremos colisiones cuerpo-cuerpo o alta producción de partículas para punta-punta ", dijo Sorensen.
Al seleccionar eventos con diferentes orientaciones, los científicos ahora pueden explorar el efecto de la geometría en otras preguntas de investigación. Por ejemplo, pueden estudiar si el flujo que persiste en forma oblonga afecta cosas como la separación de las cargas positivas y negativas para desenredar elefectos del flujo de los del campo magnético. También pueden comparar la tendencia de las partículas que viajan a través del lado corto frente al largo de los eventos con forma de balón de fútbol americano a quedarse atrapadas o "apagadas" en el plasma.
Desglose del modelo produce descubrimiento
Sin embargo, incluso con el éxito de poder separar las colisiones de punta a punta de un cuerpo a otro, una cosa aún no encajaba. La tendencia a la baja en el flujo con la producción de partículas medida por los físicos de STAR no fue tan fuerte como la que se produjo.predicho por el modelo que estaban usando para analizar los datos.
"Esto fue realmente confuso, desconcertante y un poco desmoralizante", dijo Sorensen. "Pero eso a menudo es una indicación de que estás a punto de aprender algo nuevo e interesante. Por lo tanto, fue desconcertante y emocionante".
El modelo describe la densidad inicial de las partículas en colisión. Pero incluso cuando los científicos intentaron diferentes formas de hacer los cálculos, cambiando los supuestos que incluían sobre el número de partículas, la forma del núcleo y cómo el número de partículaspuede fluctuar: no pudieron obtener los cálculos para que se ajustaran a los datos.
Se dirigieron a Prithwish Tribedy, un estudiante del Centro de Ciclotrón de Energía Variable en Kolkata, India, que había estado trabajando con el grupo de teoría nuclear de Brookhaven y desde entonces se convirtió en un becario postdoctoral para STAR. Tribedy había estado realizando cálculos relacionados con la saturación de gluones -- Otro modelo del estado inicial que los científicos sugieren surge a medida que los gluones se multiplican y permanecen en iones acelerados cerca de la velocidad de la luz, como lo están en RHIC. Cuando Tribedy usó esos cálculos para modelar la producción de partículas que debería esperarse a partir de la orientación diferenteLas colisiones de uranio, dijo Sorensen, "los cálculos básicamente dieron en el clavo".
Resulta que, para tener éxito, el modelo debe tener en cuenta la subestructura de quarks y gluones de los protones y neutrones, dijo Sorensen.
"Eso no es sorprendente, pero lo que es sorprendente es que el número de partículas producidas en las colisiones no parece depender de cuántas veces un quark choca con otro quark, solo si tuvo una colisión o no. Esta dependenciaen caso de colisión o no, en lugar de la cantidad de colisiones, sería algo así como regresar de una fiesta sin poder recordar si había conocido a una o cien personas ", dijo Sorensen.
Antes de estas mediciones, la imagen estándar sugería que la cantidad de partículas producidas dependería de la cantidad de colisiones, por lo que estos resultados descartan directamente esa imagen. Los nuevos resultados son consistentes con al menos dos modelos que no requieren una dependenciasobre el número de colisiones.
"Uno de estos es el modelo de saturación de gluones, razón por la cual creemos que ese modelo hizo un mejor trabajo al predecir qué tan bien podríamos resolver las colisiones punta-punta versus cuerpo-cuerpo", dijo Sorensen.
"Este resultado es solo una evidencia. Pero respalda una nueva imagen de cómo nacen las partículas y esa imagen se parece mucho a la saturación de gluones", dijo Sorensen. La investigación futura se centrará en probar más la ideade saturación de gluones en comparación con otras explicaciones alternativas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :