El plasma de cuarks y gluones puede haberse generado en colisiones de partículas más livianas

En el marco de un experimento realizado en el LHC y estudiado por un científico brasileño, se hallaron señales muy similares a las de este estado en la colisión de protones con núcleos atómicos de plomo. Los estudios anteriores se habían basado en la colisión de dos núcleos pesados

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Una ínfima fracción de segundo después del Big Bang, el universo material estaba constituido por un plasma compuesto por las partículas elementales conocidas como cuarks y gluones. Esto es lo que se plantea en el marco del denominado modelo estándar sobre el origen del Universo.

Con su rápida expansión y el consiguiente enfriamiento, aquel medio informe e intensamente dinámico se fragmentó y cada pequeño conjunto de cuarks y gluones dio origen a una partícula compuesta, el hadrón. Así se formaron los protones, por ejemplo, cada uno constituido por dos cuarks tipo up, o arriba, y un cuark tipo down, o abajo (los dos tipos con las menores masas entre todos los cuarks), interactuando a través de gluones.

Esta situación primordial ha sido reproducida en el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones instalado en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, en la frontera entre Francia y Suiza, y también en el RHIC, el Colisionador Relativista de Iones Pesados, instalado en el Brookhaven National Laboratory, en Estados Unidos.

Las primeras detecciones del plasma de cuarks y gluones se elaboraron con base en la colisión de dos núcleos atómicos de elementos pesados, tales como el plomo y el oro. Ahora, la colaboración ALICE, uno de los grupos internacionales de científicos que actúan en el LHC, obtuvo una de las “firmas” características del plasma de cuarks y gluones a través de la colisión de protones con núcleos de plomo.

Este resultado, obtenido con precursores mucho más livianos, se logró merced al altísimo nivel de energía de las partículas durante la colisión, de 5,02 teraelectronvoltios (5,02 TeV, o 5,02 x 10¹² electronvoltios).

El físico brasileño Henrique Zanoli, quien participa en la colaboración ALICE, estudió esta colisión en su trabajo doctoral, y los resultados de su investigación salieron publicados en Physical Review Letters.

Zanoli, quien actualmente lleva adelante un posdoctorado en la Universiteit Utrecht, en Países Bajos, se doctoró en la Universidad de São Paulo (en el estado de São Paulo, Brasil), bajo la dirección de tesis del profesor Alexandre Suaide, y contó con una Beca de Doctorado Directo y una Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior (BEPE) de la FAPESP.

“Este experimento presentó una anisotropía acimutal en la distribución de las partículas generadas por la colisión. Esto quiere decir que las partículas resultantes de la colisión no fueron producidas en las mismas cantidades en todas las direcciones. El patrón de distribución de los electrones que observamos es característico de la firma del plasma de cuarks y gluones”, declaró Zanoli a Agência FAPESP.

Para entender la afirmación, de debe considerar paso por paso el proceso, demostrado gráficamente por el propio investigador en la siguiente imagen:

El primer recuadro muestra al protón (p) y al núcleo de plomo (Pb) instantes antes de la colisión. Durante los momentos iniciales de la colisión, se producen cuarks pesados, y a su alrededor se forma el plasma de cuarks y gluones, tal como puede verse en el segundo recuadro.

Con la rápida caída de la temperatura, el plasma se desintegra y los cuarks pesados se combinan con otros cuarks para formar diversos tipos de hadrones, entre ellos partículas efímeras conocidas como mesones D y B. Es lo que se ve en el tercer recuadro. El cuarto y último recuadro muestra el decaimiento de los hadrones.

“Algunas vías de decaimiento producen electrones. Y fue precisamente la anisotropía en la distribución de las trayectorias de los electrones resultantes lo que indicó la posible producción del plasma de cuarks y gluones. Esta es una firma que se asocia con la producción del plasma”, dijo Zanoli.

“La gran diferencia del experimento que estudié residió en que en este los resultados finales de la colisión permiten arribar a la conclusión de que los cuarks pesados se produjeron durante la etapa inicial del proceso y no en etapas posteriores, tal como se detecta en otras mediciones con cuarks livianos”, añadió.

Según Zanoli, esta producción de cuarks pesados ocurrió en un momento en el cual la densidad de la energía del sistema aún era extremadamente alta, y su evolución constituye una interesante herramienta para el estudio de la presencia del plasma de cuarks y gluones.

“Esos cuarks pesados, que se producen antes que el plasma y lo atraviesan, suministran información sobre el plasma, así como una emisión de positrones que atraviesa el cuerpo humano suministra información sobre dicho cuerpo en una tomografía. Si las partículas estudiadas hubiesen sido producidas al final del proceso, esa analogía no sería válida y no podríamos afirmar, con base en el resultado final, cuáles son las características del plasma de cuarks y gluones que se formó. Pero como se produjeron al comienzo, los cuarks pesados se convierten en marcadores sumamente confiables”, dijo.

El universo primordial y los objetos astrofísicos 

El plasma de cuarks y gluones constituye un tema ampliamente investigado en la actualidad. Y esto sucede fundamentalmente por dos motivos. En primer lugar, porque ahora es posible producir el plasma experimentalmente en colisionadores tales como el LHC y el RHIC. En segundo lugar, y esta es la mayor motivación de los experimentos, porque permite entender el Universo primordial y también qué ocurre en objetos astrofísicos como las estrellas de neutrones.

“La producción del plasma de cuarks y gluones en laboratorios se volvió posible debido a la altísima densidad de la energía alcanzada en los grandes colisionadores actuales”, dijo Zanoli.

Un nivel de 5 TeV no es tan alto cuando se piensa en un objeto macroscópico, constituido por una cantidad enorme de partículas distribuidas en un gran volumen. Pero cuando se dividen 5 TeV por el volumen de un protón, el resultado es una densidad energética a la cual solamente ahora la humanidad ha tenido acceso a escala de laboratorio.

Puede leerse el artículo completo intitulado Azimuthal Anisotropy of Heavy-Flavor Decay Electrons in p-Pb Collisions at √ sNN = 5.02 TeV, en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.072301.