Nueva evidencia experimental de la restauración de la simetría quiral en alta densidad de materia

El vacío QCD (es decir, el estado fundamental del vacío en el régimen de cromodinámica cuántica) se caracteriza teóricamente por la presencia de valores esperados de condensados ​​distintos de cero, como gluones y pares quark-antiquark. En lugar de estar asociado con la falta de partículas e interacciones en un espacio vacío, la teoría física considera que este estado está lleno de los llamados condensados, que tienen los mismos números cuánticos que el vacío y no se pueden observar directamente.

Si bien muchos físicos teóricos han discutido las propiedades del vacío QCD, validar experimentalmente estas predicciones teóricas hasta ahora ha resultado ser un desafío, simplemente porque los condensados ​​en este estado son escurridizos y no se pueden detectar directamente. Se puede encontrar un indicio de «observación» experimental en las predicciones teóricas de las propiedades del vacío QCD.

Las teorías predicen que el condensado puede disminuir a alta temperatura y/oa una alta densidad de materia debido a la restauración parcial de la llamada simetría quiral. Para probar estas teorías, algunos investigadores recopilaron mediciones durante colisiones frontales ultrarrelativistas de iones pesados ​​a temperaturas particularmente altas. Otros esfuerzos en esta área intentaron sondear las propiedades del vacío QCD midiendo los llamados «efectos medios». Estos son esencialmente efectos que alteran el vacío QCD y su estructura, provocados por la presencia de alta densidad de materia, como la materia nuclear.

Investigadores del Centro RIKEN Nishina para la Ciencia Basada en Aceleradores, la Universidad de Mujeres de Nara, el Instituto Alemán de Investigación de Iones Pesados ​​y otros institutos de todo el mundo se han propuesto recientemente recopilar conocimientos experimentales de los efectos medios en los núcleos a temperaturas más bajas. En sus experimentos, resumidos en un Física de la naturaleza papel, utilizaron técnicas de espectroscopia para medir los estados de átomos piónicos en (Sn), sistemas unidos que consisten en un pión y un núcleo atómico.

«La existencia de la estructura oculta del vacío es una de las preguntas físicas más importantes de la era moderna», dijo a Phys.org Kenta Itahashi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. «La estructura ‘no trivial’ del vacío se ha discutido teóricamente durante mucho tiempo. Por ejemplo, Nambu describió la ruptura espontánea de la simetría del vacío. A pesar de las muchas teorías relacionadas, hasta ahora la evidencia experimental en esta área ha sido limitada. »

El objetivo principal del trabajo reciente de Itahashi y sus colegas fue dilucidar aún más la estructura oculta del vacío QCD y su evolución a lo largo de la historia del universo. Según las predicciones teóricas, la condensación de pares quark-antiquark (es decir, condensados ​​quirales) en este estado de vacío rompería la simetría quiral del vacío.

A altas temperaturas y/o altas densidades de materia, la simetría quiral se restauraría parcialmente, lo que teóricamente debería reducir el valor esperado de los condensados ​​quirales. En sus nuevos experimentos, el equipo se dispuso a deducir el valor esperado de los pares quark-antiquark en el vacío QCD midiendo átomos piónicos a altas densidades y temperaturas más bajas con técnicas de espectroscopia de alta precisión.

«Medimos los sistemas de enlace pion-nuclear de forma espectroscópica», explicó Itahashi. «Nuestra espectroscopia, por lo tanto, proporciona información complementaria que puede analizarse junto con hallazgos experimentales anteriores que se centran en colisiones frontales. Al igual que dibujar un diagrama de fase del agua o materiales superconductores, deseábamos dibujar un diagrama de fase del vacío en un plano de temperatura y densidad. En cierto sentido, la materia nuclear se comporta como una impureza cargada en el vacío».

Los investigadores encontraron que sus medidas eran consistentes con la ruptura espontánea de la simetría quiral del vacío QCD descrita por la teoría de Nambu. Combinado con los resultados de un estudio pionero que realizaron hace casi dos décadaseste trabajo avanza en la comprensión actual del vacío QCD, la ruptura y restauración de la simetría quiral, y cómo esto afecta el valor esperado de los condensados ​​quirales a altas temperaturas y/o altas densidades de materia.

«Hasta donde sabemos, actualmente no hay información sobre el parámetro de orden en una alta densidad de materia que se haya determinado con tanta precisión como la nuestra», dijo Itahashi. «En nuestros próximos estudios, deseamos investigar la dependencia de la densidad de la simetría quiral. Ya trazamos el primer punto del parámetro de orden quiral en el eje de densidad y ahora planeamos estudiar la derivada de la densidad haciendo una medición sistemática. Además , también deseamos desarrollar una nueva técnica de espectroscopia de átomos piónicos para alcanzar una mayor precisión y permitir el estudio de la formación de átomos piónicos con radioisótopos».

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