Un nuevo modelo ayuda a entender la dinámica del plasma de cuarks y gluones

Este estado de la materia, obtenido en los dos mayores colisionadores de partículas de la actualidad, habría sido dominante en el universo inmediatamente después del Big Bang

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El plasma de cuarks y gluones es uno de los objetos de estudio más investigados por los físicos en los últimos tiempos. Gracias a 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–, este estado de la materia, que habría predominado en el universo durante una fracción de segundo después del Big Bang, se ha vuelto reproducible en laboratorio.

De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, la duración del plasma de cuarks y gluones en el universo primordial no excedió la millonésima de segundo, pues alrededor de 10^-6 s después del Big Bang el universo ya se habría enfriado a punto tal que los cuarks y los gluones ya no podían desplazarse libremente y quedaban encapsulados en los hadrones (protones, neutrones, mesones, etc.). En las colisiones nucleares de alta energía del LHC y del RHIC, debido a los elevados gradientes de presión, el plasma de cuarks y gluones dura menos tiempo aún, aproximadamente 10^-23 s. Pero a pesar de ser tan efímero y de ocupar un volumen exiguo, apenas mayor que el del protón (el diámetro del protón es de una dimensión de 10^-15 metro), el plasma de cuarks y gluones exhibe una intensa y compleja actividad interior.

Dicha actividad ha venido siendo paulatinamente develada en los experimentos del LHC y del RHIC. Y nuevos aportes teóricos han sido elaborados para explicar o prever resultados experimentales. Éste es el caso, entre otros tantos, del estudio intitulado “Hydrodynamic Predictions for Mixed Harmonic Correlations in 200 GeV Au+Au Collisions”, publicado a comienzos de marzo de 2017 en Physical Review C y destacado por sus editores. El texto completo del artículo también puede leerse en el portal arXiv.org, de la Cornell University.

El estudio estuvo a cargo de Fernando Gardim, del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad Federal de Alfenas (Minas Gerais, Brasil), Frédérique Grassi, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP), Matthew Luzum, del Instituto de Física de la USP, y Jacquelyn Noronha-Hostler, del Department of Physics de la University of Houston. Y contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de los proyectos intitulados “Extracción de propiedades del plasma de cuarks y gluones de los datos del RHIC y LHC” y “Desarrollo de un código de hidrodinámica 3+1 para estudios del plasma de cuarks y gluones”.

“Debido a que dura muy poco tiempo, el plasma de cuarks y gluones no puede observarse directamente. Lo que en los experimentos se logra detectar son los hadrones que se forman cuando los cuarks y los gluones vuelven a aglutinarse. Esos hadrones se propagan en diversas direcciones y su distribución angular alrededor del eje de la colisión suministra información sumamente relevante referente a la estructura y la dinámica del plasma. Como consecuencia de ello, también informa sobre la naturaleza de las interacciones fundamentales de la materia. Nuestro trabajo, de carácter teórico, consistió en prever patrones específicos de la distribución angular de los hadrones”, declaró Frédérique Grassi a Agência FAPESP.

Para ello, los investigadores utilizaron un modelo hidrodinámico denominado NeXSPheRIO, que reprodujo de manera precisa una amplia gama de datos antes obtenidos experimentalmente en el RHIC. Las simulaciones computacionales realizadas a partir de allí permitieran efectuar previsiones que podrán ponerse a prueba en nuevos experimentos, lo cual permitirá validar o corregir el modelo.

“La distribución angular observada en los experimentos se descompone en términos, precisamente en una secuencia conocida en el lenguaje matemático como serie de Fourier. Cada término de esta serie corresponde a una característica específica de la distribución. Y la serie entera permite saber cuántas partículas se desplazan de acuerdo con cada patrón. La expresión mixed harmonic correlations [correlaciones armónicas mixtas], que aparece en el título del trabajo, es la forma técnica de nombrar a esa relación entre distintos coeficientes de Fourier”, explicó Grassi.

“Si el plasma de cuarks y gluones fuese rigurosamente homogéneo y tuviese la naturaleza de un gas [es decir, si sus partículas interactuasen muy poco unas con otras], el flujo de hadrones resultantes sería isotrópico [es decir, igual en todas las direcciones]. Pero no es eso lo que ocurre. Los flujos reales, detectados experimentalmente, son anisotrópicos, y la distribución angular exhibe coeficientes de Fourier no nulos, lo cual informa sobre la ausencia de homogeneidades en el plasma y sobre la fuerte interacción entre sus partículas constituyentes”, prosiguió la investigadora.

De acuerdo con sus características geométricas, se clasifica a los coeficientes de la distribución como elíptico, triangular, cuadrangular, pentagonal, etc. Entre todos ellos, predomina el flujo elíptico, porque el chorro de hadrones es mucho mayor en una de las direcciones ortogonales al eje de la colisión. Dicha distribución, que es el resultado de la fuerte interacción existente entre los cuarks y los gluones, indica que el plasma posee la naturaleza de un líquido y no de un gas. Pero no se trata de un líquido cualquiera, pues el hecho de que el flujo elíptico no se vea atenuado muestra que la viscosidad de ese líquido es sumamente baja. En efecto, el plasma de cuarks y gluones es el líquido menos viscoso, el más perfecto que se haya descubierto.

“Esa naturaleza de líquido cuasi perfecto del plasma de cuarks y gluones ya se había demostrado en trabajos anteriores. Lo que nuestro estudio aportó fue una mejor comprensión acerca de la no homogeneidad de la distribución de la energía en el interior del plasma”, subrayó Grassi. En el cortísimo lapso de tiempo de su duración y en el diminuto espacio de su extensión, el plasma de cuarks y gluones muestra una intensa dinámica. Fluctuaciones hacen que la densidad de energía varíe de una región a otra. El estudio en pauta apunta hacia una mejor comprensión del nexo existente entre esa dinámica y las fluctuaciones.

“Como el NeXSPheRIO mostró hasta ahora una gran concordancia con todas las observaciones realizadas en el RHIC, creemos que sus previsiones podrán utilizarse como términos de comparación para realizar nuevas mediciones que se efectúen en el colisionador estadounidense. Cualquier desvío con relación a estas previsiones aportará información valiosa y para nada trivial, ya sea sobre la fase inicial de la colisión que da origen al plasma como sobre las propiedades intrínsecas de ese medio”, finalizó la investigadora.