Agujeros negros pentadimensionales describen el plasma de cuarks y gluones

Este estado de la materia, producido en los dos mayores colisionadores de partículas existentes en la actualidad, correspondería al contenido del Universo luego del Big Bang

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Mediante una simulación computacional, científicos del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, en Brasil, y del Departamento de Física de la Columbia University, en Estados Unidos, determinaron por primera vez, y en forma cuantitativa, de qué modo la carga bariónica –definida por la diferencia entre la cantidad de cuarks y anticuarks en un determinado medio– se difunde a través del plasma de cuarks y gluones producido en los dos mayores colisionadores de partículas de la actualidad.

Un artículo en el cual se describe este estudio, firmado por Rômulo Rougemont y Jorge Noronha, de la USP, y por Jacquelyn Noronha-Hostler, de Columbia, e intitulado “Suppression of Baryon Diffussion and Transport in a Baryon Rich Strongly Coupled Quark-Gluon Plasma”, salió publicado en Physical Review Letters.

El trabajo contó con el apoyo de la FAPESP por dos vías: a través de una beca para el posdoctorado de Rougemont, bajo la supervisión Noronha, intitulado Cálculo de las propiedades del plasma de cuarks y gluones a temperatura y densidad bariónica finitas por holografía, y mediante una beca de investigación en el exterior concedida a Noronha para la investigación que lleva el nombre de Aspectos dinámicos del plasma de cuark-gluones fuertemente acoplado.

Se supone que el plasma de cuarks y gluones habría predominado en el Universo durante una pequeñísima fracción de segundo después del Big Bang, mucho antes de que el proceso de expansión y el consiguiente enfriamiento del cosmos reconfigurase varias veces su contenido material y energético hasta llegar al estadio actual. Al hacer el camino inverso, es posible producir el plasma de cuarks y gluones a partir de la materia ordinaria, calentándola a temperaturas miles de veces superiores a la más alta temperatura registrada en el Sol.

Sin embargo, en el ambiente terrestre, el nivel de energía necesario a tal fin sólo se alcanza, y por un ínfimo lapso de tiempo, en las colisiones ultrarrelativistas [es decir, cercanas a la velocidad de la luz] de núcleos pesados, producidas en los dos mayores colisionadores de partículas existentes en la actualidad: el Large Hadron Collider (LHC), con sede en Europa, y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Estados Unidos.

“Al simular en computadora las propiedades de 250 mil agujeros negros pentadimensionales, calculamos de qué manera se difunde la carga bariónica a través de ese plasma cuando el sistema pasa a contener más materia que antimateria”, declaró Noronha a Agência FAPESP. “Para ello utilizamos un modelo teórico basado en la llamada ‘dualidad holográfica’, que establece una sorprendente equivalencia entre ciertas teorías cuánticas definidas en el espacio-tiempo usual, de cuatro dimensiones extendidas, y la física de supercuerdas en un espacio-tiempo curvo, de cinco dimensiones extendidas.”

La dualidad holográfica

La “dualidad holográfica”, descubierta por el físico argentino Juan Maldacena en 1997, está considerada como una de las mayores revoluciones de la física teórica de los años recientes, pues permite que algunos fenómenos cuánticos de difícil comprensión en el espacio-tiempo usual, de cuatro dimensiones, puedan estudiarse como hologramas de fenómenos gravitacionales más sencillos que ocurren en un espacio de cinco dimensiones.

Estos fenómenos pentadimensionales se describen de acuerdo con la teoría de supercuerdas, que es actualmente la principal candidata a erigirse en teoría de la gravitación cuántica, superando así el problema hasta ahora insoluble de compatibilizar la teoría cuántica con la teoría de la relatividad general, los dos pilares de la física contemporánea. Los partidarios de la teoría de supercuerdas consideran que ésta podrá desempeñar un rol fundamental en la comprensión de configuraciones en las cuales la materia-energía se encuentra comprimida a densidades extremas, como en el universo primordial o en el interior de los agujeros negros.

“La teoría de supercuerdas preconiza que las partículas fundamentales que identificamos en el Universo corresponden a decir verdad a diferentes modos de vibración de minúsculas cuerdas que existen en un espacio-tiempo de diez dimensiones. Como el Universo al que tenemos acceso mediante instrumentos de observación y a través de experimentos se presenta como un espacio-tiempo de cuatro dimensiones extendidas [las tres direcciones espaciales y el tiempo], se conjetura que las seis dimensiones extras previstas por la teoría de supercuerdas estarían compactadas en objetos extremadamente reducidos, que no podemos sondear directamente empleando la tecnología actual”, explicó el investigador.

En principio, habría una gran cantidad de compactaciones posibles de las dimensiones extras, y a cada una de ellas correspondería un universo diferente. El universo conocido constituiría tan sólo uno de ellos.

“Lo que descubrió Maldacena fue una importante relación matemática existente entre ciertas teorías cuánticas definidas en el espacio-tiempo plano usual, de cuatro dimensiones extendidas, y supercuerdas existentes en un contexto formado por la composición de un espacio-tiempo curvo de cinco dimensiones extendidas [denominado ‘Anti-de Sitter’, o AdS] y una hiperesfera con cinco dimensiones compactadas. La relación matemática que descubrió Maldacena recibe el nombre de dualidad holográfica”, informó Noronha.

Una de las principales aplicaciones de la “dualidad holográfica” consiste en utilizar las propiedades físicas de agujeros negros definidos en un espacio AdS pentadimensional para calcular, de manera aproximada, las características del plasma de cuarks y gluones, producido experimentalmente en los dos grandes colisionadores.

“La expresión ‘plasma de cuarks y gluones’ requiere una explicación mejor”, ponderó el investigador. “La palabra ‘plasma’ designa a un gas de iones, esto es, un gas de partículas cargadas eléctricamente. En tanto, los gluones son neutros eléctricamente y los cuarks poseen carga eléctrica fraccionaria (lo que los distingue de todas las demás partículas, que presentan carga eléctrica entera o nula).

Otro aspecto bastante peculiar de los cuarks y los gluones consiste en que, en las condiciones en que habitualmente se los observa en la naturaleza, estas partículas elementales se encuentran confinadas en el interior de partículas compuestas llamadas hadrones, tales como los protones y los neutrones, que componen los núcleos atómicos. Cuando núcleos atómicos pesados compuestos por varios protones y neutrones colisionan a altísimas energías, tal como sucede en el LHC y en el RHIC, los cuarks y los gluones se liberan temporalmente, formando el medio al cual –por una cuestión de comodidad– denominamos plasma de cuarks y gluones.”

“Ese ‘plasma’ corresponde efectivamente a pequeñas gotas de volúmenes minúsculos, con radios del orden de 10^-15 metro, y temperaturas altísimas, alrededor 250 mil veces la temperatura del centro del Sol, estimada en 10⁷ Kelvin. En efecto, esas minúsculas gotas, formadas en los grandes colisionadores, constituyen el fluido más perfecto, de menor tamaño y más caliente que ya haya producido el ser humano. Duran apenas una diminuta fracción de segundo, antes que el enfriamiento haga que los cuarks y los gluones sean nuevamente confinados en hadrones. Ese medio correspondería a la condición del universo pocos instantes después Big Bang”, describió Noronha.

En el trabajo publicado en Physical Review Letters, Rougemont, Noronha y Noronha-Hostler utilizaron la dualidad holográfica y la simulación computacional para investigar –por primera vez en la literatura– de qué manera se difunde la carga bariónica a través del plasma de cuarks y gluones. Y calcularon también la conductividad asociada a esa carga, aparte de otras magnitudes observables, de gran importancia para la caracterización física de ese estado de la materia.

Puede leerse el artículo “Suppression of Baryon Diffussion and Transport in a Baryon Rich Strongly Coupled Quark-Gluon Plasma” (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.202301), firmado por Rômulo Rougemont, Jorge Noronha y por Jacquelyn Noronha-Hostler y publicado en Physical Review Letters, en la siguiente dirección: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.202301.