colisión Xenon-Xenon
Un evento de la primera colisión Xenon-Xenon en el Gran Colisionador de Hadrones en la energía máxima del Gran Colisionador de Hadrones (5.44 TeV) registrado por ALICE [crédito: ALICE]. Cada pista de color (las líneas azules) corresponde a la trayectoria de una partícula cargada producida en una sola colisión.

Científicos del Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, y del proyecto de colaboración internacional ALICE colisionaron recientemente núcleos de xenón en el superconductor Large Hadron Collider (LHC), para comprobar las propiedades del plasma quark-gluon (QGP). Este plasma es un estado especial, que consiste en quarks y gluones que unen a los quarks. Los resultados han sido publicados en Physics Letters B.

Los investigadores reemplazaron los iones de plomo que usualmente se utilizan en colisiones con iones de xenón. El xenón es un átomo pequeño con menos nucleones en su núcleo. Cuando se colisionan iones, se crea una bola de fuego que recrea las condiciones iniciales del universo a temperaturas superiores a varios miles de millones de gracos centígrados. En contraste con el universo, la duración de las gotitas de este plasma producidas en el laboratorio es ultra corta, de una fracción de segundo. Bajo estas condiciones, la densidad de los quarks y los gluones es muy alta, y se forma un especial estado de la materia en el que los quarks y los gluones son casi libres, en el estado QGP de interacción fuerte. Los experimentos revelan que en el instante anterior a la formación de los átomos del universo, la materia primordial se comportaba como un fluido que puede ser descrito en términos hidrodinámicos.

Uno de los desafíos que afrontamos es que, en colisiones de iones pesados, sólo la información del estado final de las muchas partículas que son detectadas en los experimentos están disponibles de forma directa, pero queremos saber qué sucedió al principio de la colisión y en los primeros momentos posteriores”, asegura You Zhou, postdoctorado en el grupo de investigación Experimental Subatomic Physics en el Niels Bohr Institute. “Hemos desarrollado nuevas y poderosas herramientas para investigar las propiedades de las pequeñas gotas de plasma que creamos en los experimentos”.

Los investigadores estudiaron la distribución espacial de los muchos miles de partículas que emergieron de las colisiones, cuando los quarks y los gluones estaban atrapados en las partículas de las que el universo consiste hoy día. Esto refleja sólo la geometría inicial de la colisión, pero es sensible a las propiedades del plasma. Puede ser visto como un flujo hidrodinámico. “Las propiedades de transporte del plasma quark-gluon determinarán la forma final de la nube de partículas producidas después de la colisión, por lo que esta es nuestra forma de abordar el momento de la creación del plasma en sí“, afirma You Zhou.

Formación de flujo anisotrópico en colisiones relativistas
Formación de flujo anisotrópico en colisiones relativistas de iones pesados debido a la geometría de la zona de superposición caliente y densa (se muestra en color rojo) Crédito: Universidad de Copenhague.

El grado de distribución de partículas anisotrópicas, el hecho de que hay más partículas en ciertas direcciones, refleja tres piezas principales de información. La primera es la geometría inicial de la colisión. La segunda son las condiciones prevalentes dentro de los nucleones en colisión. La tercera es la viscosidad de cizallamiento del plasma quark-gluón en sí mismo. Esta viscosidad expresa la resistencia del fluido al flujo, una propiedad clave de la materia creada. “Es uno de los parámetros más importantes para definir las propiedades del plasma quark-gluón, porque nos cuenta cómo de fuerte los gluones se unen a los quarks”, confirma You Zhou.

Con las nuevas colisiones de xenón, hemos impuesto restricciones muy estrictas a los modelos teóricos que describen el resultado. Sin importar las condiciones iniciales, el plomo o el xenón, la teoría debe poder describirlos simultáneamente. Si ciertas propiedades de la viscosidad del plasma quark-gluón se reivindican, el modelo tiene que describir ambos conjuntos de datos al mismo tiempo”, añade You Zhou. Las posibilidades de obtener más información sobre las propiedades reales de la “sopa primordial” mejoran significativamente con los nuevos experimentos. El equipo de investigadores planea colisionar con otros sistemas nucleares para restringir aún más la física, pero esto requerirá un desarrollo significativo de nuevos haces de LHC.

Fuente: Science Direct.

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