¿Nuevo controlador para formas de pequeñas gotas de plasma de quarks y gluones?

Las nuevas mediciones de cómo fluyen las partículas de las colisiones de diferentes tipos de partículas en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) han proporcionado nuevos conocimientos sobre el origen de la forma de las motas calientes de materia generada en estas colisiones. Los resultados pueden conducir a una comprensión más profunda de las propiedades y la dinámica de esta forma de materia, conocida como plasma de quarks-gluones (QGP).

QGP es una sopa de quarks y gluones que forman los protones y neutrones de los núcleos atómicos en el corazón de toda la materia visible del universo. Los científicos creen que todo el universo se llenó de QGP justo después del Big Bang hace unos 14 mil millones de años, antes de que se formaran los protones y los neutrones. RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, crea QGP al colisionar los núcleos de los átomos a casi la velocidad de la luz. Las colisiones derriten los límites de los protones y neutrones, liberando momentáneamente a los quarks y gluones de su confinamiento dentro de estos bloques de construcción nucleares ordinarios (colectivamente llamados nucleones).

El nuevo análisis de datos del detector STAR de RHIC sugiere que la forma del QGP creado en colisiones de núcleos pequeños con núcleos grandes puede estar influenciada por la subestructura del proyectil más pequeño, es decir, la disposición interna de los quarks y gluones dentro de los protones y neutrones del núcleo más pequeño. Esto contrasta con las publicaciones sobre datos del detector PHENIX de RHIC, que informaron que la forma de QGP fue determinada por la escala más grande posiciones de los nucleones individuales y, por lo tanto, las formas de los núcleos en colisión.

«La cuestión de si la forma del QGP está determinada por las posiciones de los nucleones o por su estructura interna ha sido una investigación de larga data en el campo. La medición reciente realizada por la colaboración STAR proporciona pistas importantes para ayudar a resolver esta cuestión». dijo Roy Lacey, profesor de la Universidad de Stony Brook y autor principal del artículo de STAR.

Resulta que las diferencias en los resultados de STAR y PHENIX pueden deberse a la forma en que los dos detectores realizaron sus respectivas mediciones, cada uno observando las gotas de QGP desde una perspectiva diferente.

Seguimiento de correlaciones de dos partículas

Como informa la colaboración STAR en un artículo recién publicado en Cartas de revisión física, sus mediciones provienen de un análisis de partículas que emergen principalmente en el centro de su detector, alrededor del haz de luz. Al observar los ángulos entre pares de partículas en esta región de «rapidez media», los físicos pueden detectar si hay más partículas que fluyen en direcciones particulares.

«Usas una partícula para determinar la dirección y usas otra para medir la densidad a su alrededor», dijo Jiangyong Jia, físico en Brookhaven Lab y Stony Brook University. Cuanto más cerca estén las partículas en ángulos, mayor será la densidad/más partículas en esa dirección.

Estos patrones de flujo se pueden establecer mediante gradientes de presión asociados con la forma de QGP. El equipo de STAR analizó los patrones de flujo de tres sistemas de colisión diferentes: protones individuales que chocan con núcleos de oro; deuterones de dos nucleones (un protón y un neutrón) chocando con oro; y núcleos de helio-3 de tres nucleones (dos protones y un neutrón) que chocan con oro. Los datos se recopilaron en tres ejecuciones separadas en 2014 (helio), 2015 (protones) y 2016 (deuterones).

Los resultados de flujo de PHENIX se basaron en correlaciones entre partículas a velocidad media con partículas emitidas lejos en la región delantera de su detector. Ese análisis encontró que las motas de QGP y los patrones de flujo establecidos en estos tres sistemas de colisión estaban asociados con la forma del proyectil que choca con el núcleo de oro: los protones esféricos crearon gotas circulares de QGP con flujo uniforme, los deuterones alargados de dos partículas produjeron gotas alargadas y patrones de flujo elípticos, y núcleos de helio-3 de tres partículas aproximadamente triangulares produjeron manchas triangulares de QGP con un flujo triangular correspondientemente más fuerte.

«Se podía ver una huella clara de la forma del núcleo en las mediciones de flujo elípticas y triangulares de PHENIX», dijo James Dunlop, presidente asociado de Física Nuclear en el Departamento de Física de Brookhaven Lab.

Por el contrario, según Shengli Huang, científico investigador de la Universidad de Stony Brook que dirigió el análisis de STAR, «los patrones de flujo triangulares ‘v3’ de STAR eran todos iguales, independientemente del proyectil que estudiáramos. Parece que la huella de la forma triangular del núcleo de helio-3, que produce patrones de flujo v3 más pronunciados que los otros dos sistemas, está ausente.Nuestros hallazgos indican que las fluctuaciones de la subestructura del nucleon juegan un papel más importante en la determinación de la forma del QGP que los cambios en el número de nucleones. y sus posiciones».

Takahito Todoroki, profesor asistente de la Universidad de Tsukuba, realizó una verificación cruzada independiente del análisis STAR y encontró el mismo resultado.

Una cuestión de perspectiva

«Ambas series de mediciones de STAR y PHENIX han sido revisadas rigurosamente por equipos independientes dentro de ambas colaboraciones, y no hay dudas sobre los resultados», dijo Dunlop.

Los teóricos han propuesto algunas explicaciones.

«Si bien los resultados de STAR pueden interpretarse como fluctuaciones de subnucleones que desempeñan un papel importante en la determinación de la geometría de QGP y difuminar la influencia de la forma triangular, y los resultados de PHENIX indican que la forma de QGP está dictada por las fluctuaciones de la posición del nucleón, los experimentos son no necesariamente inconsistente», dijo el teórico de Brookhaven Lab Bjoern Schenke. «Tener en cuenta el hecho de que la mancha de QGP cambia a lo largo de la dirección longitudinal podría explicar las diferencias».

Como explicó Jiangyong Jia: «Cuando una colisión crea QGP, no se produce solo una porción de QGP; puede imaginarlo como un cilindro a lo largo de la dirección del haz. Si va al extremo delantero del cilindro, es posible que la geometría no ser lo mismo que si miras justo en el medio de este cilindro. Podría haber muchas fluctuaciones a lo largo de la dirección del haz».

Mientras que STAR mide en la rapidez media, el análisis PHENIX de correlaciones entre partículas en la rapidez media con partículas «delanteras» longitudinalmente distantes puede reflejar esta evolución longitudinal del QGP. Esa diferencia de perspectiva puede explicar los diferentes resultados.

A análisis teórico reciente liderado por Schenke encontró evidencia de tales fluctuaciones longitudinales. Ese trabajo, que también incluye fluctuaciones de subnucleones, sugiere que la variación longitudinal en el QGP podría explicar al menos parte de la diferencia entre los resultados de STAR y PHENIX v3.

«Estos resultados subrayan la riqueza de la física QGP y la importancia de comparar los resultados de diferentes detectores», dijo Dunlop.

Análisis futuros

Los físicos de STAR tienen un plan para explorar estas explicaciones mediante el análisis de datos adicionales de colisiones de deuterón y oro, recopilados por STAR en 2021. Estas mediciones utilizaron componentes mejorados de STAR instalados en la región delantera de ese detector en el tiempo transcurrido desde que el deuterón original -Se recogieron datos de oro.

«Al analizar estos datos, deberíamos poder realizar ambas mediciones, observar las correlaciones de partículas medias y medias y las correlaciones medias hacia adelante, en el mismo detector», dijo Huang.

Si los científicos confirman los resultados publicados en este artículo y los resultados anteriores de PHENIX, sería una clara evidencia de las fluctuaciones longitudinales en el QGP.

Además, RHIC también analizó colisiones entre dos haces de núcleos de oxígeno durante parte de la carrera en 2021. Analizar esos datos entre colisiones de núcleos más o menos esféricos, cada uno compuesto por 16 nucleones, podría ayudar a desentrañar el impacto de las fluctuaciones del subnucleon de la forma nuclear.

«Al agregar más nucleones, diluimos la influencia de las fluctuaciones dentro de cada nucleon», dijo Jia. «Ya sabemos que en las colisiones oro-oro, con 197 nucleones, las fluctuaciones de los subnucleones no influyen en los patrones de flujo, pero ¿qué pasa si eliges algo que no es tan grande?».

«Debido a que tenemos el mismo sistema de colisión (deuterón-oro), ahora podemos repetir las mediciones anteriores de PHENIX y STAR en el mismo experimento con el mismo sistema de colisión. Esto nos permitirá cuantificar directamente cuánto contribuye cualquier variación longitudinal observada a la diferencia entre los resultados de STAR y PHENIX».