Las fluctuaciones cuánticas ayudan a armar un rompecabezas incompleto

El patrón elíptico de la distribución de chorros de partículas en el plasma de cuarks y gluones se reprodujo mediante una simulación computacional

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un problema que perduraba hacía diez años sin solución en el campo de la física nuclear de altas energías ha sido resuelto mediante una simulación computacional. Se trata del patrón de distribución de los chorros producidos en las colisiones de núcleos pesados que se concretan en el interior de los dos mayores colisionadores de partículas de la actualidad: el Large Hadron Collider (LHC), en Europa, y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Estados Unidos.

Un artículo en el cual se describe este resultado, intitulado “Event-by-Event Hydrodynamics+Jet Energy Loss: A Solution to the R_AA⊗v₂ Puzzle” ha sido publicado en Physical Review Letters:.

Jorge Noronha, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, en Brasil, participó en el estudio, en el marco de su investigación intitulada “Relativisitic heavy-ion collision dynamics – macroscopic approaches derived from microscopic physics”, apoyada por la FAPESP.

“Descubrimos que las fluctuaciones de origen cuántico en las condiciones iniciales de líquido constituyen el ingrediente necesario para explicar el patrón elíptico exhibido por la distribución angular de las partículas generadas en las colisiones”, declaró Noronha a Agência FAPESP.

El líquido mencionado por el investigador es el plasma de cuarks y gluones, que, de acuerdo el modelo teórico estándar, habría ocupado el universo durante un diminuto lapso de tiempo después del Big Bang. Ese medio ha sido recreado en los dos grandes colisionadores de la actualidad con los choques ultrarrelativísticos de núcleos atómicos, es decir, a velocidades cercanas a la de la luz.

La temperatura que se genera en esas colisiones es tan alta que los cuarks y los gluones que estaban confinados en el interior de los protones y de los neutrones de los núcleos atómicos se desprenden y, durante un exiguo lapso de tiempo, pasan a moverse libremente. Se trata de un medio sumamente pequeño, cuya extensión es un poco mayor que el diámetro del protón. Cabe recordar que el diámetro del protón es de una magnitud de 10^-15 metro. Ese medio se comporta como un fluido casi perfecto, que prácticamente no ofrece resistencia al desplazamiento de las  partículas que lo componen.

“Existen dos ‘firmas experimentales’ especialmente importantes referentes al plasma de cuarks y gluones. La primera está constituida por el llamado ‘flujo elíptico de hadrones’. Éste se refiere a la distribución angular de las partículas generadas a partir de las colisiones. Luego de que se forma el sistema, y de que los cuarks y los gluones vuelven a aglutinarse en hadrones [protones, neutrones, mesones, etc.], los detectores registran los ángulos según los cuales esas partículas reconfiguradas llegan a ellos. Se percibe entonces que existen ángulos preferenciales, cuyo conjunto define varios patrones, y el patrón elíptico es el predominante”, informó el investigador.

“La segunda firma es la llamada de ‘atenuación de chorros’. Cuando un chorro, constituido por un cuark o un gluon a velocidad cercana a la de la luz, transita en el interior del plasma, es frenado por el medio y pierde energía. Durante más de diez años, los expertos del área intentaron entender de qué modo esa pérdida de energía llevaba a la distribución angular observada. Pero fue en vano. Y eso es lo que logramos hacer ahora, combinando física de chorros con hidrodinámica para describir la situación real de un chorro que se desplaza en el interior de un medio que -él mismo- se expande casi a la velocidad de la luz”, añade.

Los patrones de distribución de las partículas

El patrón elíptico no es el único posible. En efecto, existen varios patrones de distribución angular de partículas: elíptico, triangular, cuadrangular, etc. Lo que se hace es descomponer las distribuciones posibles en un tipo específico de secuencia matemática, conocida como serie de Fourier. Esto permite saber cuántas partículas obedecen a cada patrón. Y el patrón elíptico es el predominante. La cuestión consistía en explicar por qué. Fue exactamente esto lo que permitió efectuar la introducción de las fluctuaciones cuánticas en el modelo.

“Los núcleos atómicos que son llevados a colisionarse están constituidos de protones y neutrones. Pero los protones y los neutrones no se encuentran inmóviles en el interior de cada núcleo, sino que se mueven dentro de un pequeño volumen. Por ende, la distribución de energía en el interior del núcleo, que suministra las condiciones iniciales del problema, no es uniforme. La misma fluctúa todo el tiempo. Y esto brinda una idea acerca de aquello a lo que denominamos fluctuaciones cuánticas”, explicó Noronha.

Cabe destacar aquí uno de los pilares de la física cuántica, que es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. De acuerdo con este principio, no es posible determinar simultáneamente y de manera exacta la posición y la velocidad de cada partícula. Cuando se determina la posición, la velocidad se vuelve altamente incierta. Y cuando se determina la velocidad, es la posición la que se vuelve incierta. El concepto de fluctuación cuántica está íntimamente asociado con el Principio de Incertidumbre.

Además, dentro de los propios protones o neutrones, los cuarks y los gluones están igualmente en movimiento. Y no es sólo eso. Existe también un proceso incesante de producción y aniquilamiento de pares de partículas y antipartículas. Grosso modo, de acuerdo con el modelo estándar, el protón está formado por tres cuarks. Sin embargo, y a modo de analogía, esto constituye tan sólo la fotografía estática de algo sumamente dinámico. Una imagen más apropiada sería comparar cada protón con un minúsculo y agitado océano de energía, en el cual se producen y se destruyen todo el tiempo cuarks y anticuarks. “A decir verdad, el protón es una realidad muy complicada, que recién ahora estamos empezando a entender. Hay varios modelos distintos que apuntan a describirlo”, comentó el investigador.

En resumen: la situación es la de un sistema, el del plasma de cuarks y gluones, con una densidad de energía sumamente alta, similar a la del universo primordial. Un sistema en fluctuación, en el cual transitan chorros de partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Éstos pierden energía al transitar. La detección experimental de las partículas resultantes muestra que su distribución angular sigue preferentemente un patrón elíptico. “Al introducir las fluctuaciones cuánticas en las condiciones iniciales utilizadas en las simulaciones computacionales, fue posible arribar por primera vez a un resultado compatible con el patrón observado experimentalmente”, enfatizó Noronha.

“Este cálculo comprendió varias capas de teoría. Fue preciso considerar la densidad inicial de la energía del sistema. Y también considerar de qué modo evoluciona el sistema partiendo de cada condición inicial y se expande a velocidades cercanas a la de la luz; y considerar de qué manera cada chorro de cuarks o gluones pierde energía dentro de ese medio. Debido a las fluctuaciones, es necesario efectuar la simulación evento por evento, considerando distintas densidades iniciales de energía. Esto significa hacer centenas de simulaciones. Y después de todo eso, calcular la distribución estadística de las diversas simulaciones para llegar a algo que se acerque al comportamiento real”, detalló el investigador.

Las simulaciones se realizaron en computadoras de la Universidad de Columbia, de la Universidad de Frankfurt y de la Universidad de São Paulo. Y el resultado obtenido se mostró consistente con los datos experimentales. “Aparte del cálculo del flujo elíptico, concretamos también, y por primera vez, el cálculo del flujo triangular de partículas con energía alta. Este flujo sólo es distinto de cero cuando se incorporan fluctuaciones cuánticas”, finalizó Noronha.