Un nuevo análisis computacional realizado por teóricos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad Estatal de Wayne respalda la idea de que los fotones (también conocidos como partículas de luz) que chocan con iones pesados pueden crear un fluido de partículas de «fuerte interacción». En un artículo recién publicado en Cartas de revisión físicamuestran que los cálculos que describen un sistema de este tipo coinciden con los datos recopilados por el detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Europa.
Como explica el documento, los cálculos se basan en el flujo de partículas hidrodinámicas que se observa en las colisiones frontales de varios tipos de iones tanto en el LHC como en el Colisionador de iones pesados relativistas (RHIC), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE para la investigación de física nuclear. en el laboratorio de Brookhaven. Con solo cambios modestos, estos cálculos también describen patrones de flujo vistos en colisiones cercanas a la falla, donde los fotones que forman una nube alrededor de los iones acelerados chocan con los iones en el haz opuesto.
«El resultado es que, usando el mismo marco que usamos para describir las colisiones de plomo-plomo y protón-plomo, podemos describir los datos de estas colisiones ultraperiféricas en las que tenemos un fotón que choca con un núcleo de plomo», dijo el teórico de Brookhaven Lab. Bjoern Schenke, coautor del artículo. «Eso te dice que existe la posibilidad de que, en estas colisiones de fotones e iones, creemos un pequeño medio denso que interactúa fuertemente que está bien descrito por la hidrodinámica, al igual que en los sistemas más grandes».
Firmas fluidas
Las observaciones de partículas que fluyen en formas características han sido evidencia clave de que los sistemas de colisión más grandes (colisiones de plomo-plomo y protón-plomo en el LHC; y colisiones de oro-oro y protón-oro en RHIC) crean un fluido casi perfecto. Se pensó que los patrones de flujo provenían de los enormes gradientes de presión creados por la gran cantidad de partículas que interactúan fuertemente producidas donde se superponen los iones que chocan.
«Al unir estos núcleos de alta energía, estamos creando una densidad de energía tan alta, comprimiendo la energía cinética de estos tipos en un espacio tan pequeño, que esto esencialmente se comporta como un fluido», dijo Schenke.
Se espera que las partículas esféricas (incluidos los protones y los núcleos) que chocan de frente generen un gradiente de presión uniforme. Pero las colisiones parcialmente superpuestas generan un gradiente de presión oblongo en forma de almendra que empuja más partículas de alta energía a lo largo del eje corto que perpendiculares a él.
Este patrón de «flujo elíptico» fue uno de los primeros indicios de que las colisiones de partículas en RHIC podrían crear un plasma de quarks-gluones, o QGP, una sopa caliente de los bloques de construcción fundamentales que forman los protones y neutrones de los núcleos/iones. Los científicos se sorprendieron al principio por el comportamiento líquido del QGP. Pero luego establecieron el flujo elíptico como una característica definitoria de QGP, y evidenciaron que los quarks y los gluones todavía interactuaban fuertemente, incluso cuando estaban libres de confinamiento dentro de protones y neutrones individuales. Observaciones posteriores de patrones de flujo similares en colisiones de protones con núcleos grandes, sugieren intrigantemente que estos sistemas de colisión de protones y núcleos también pueden crear pequeñas partículas de sopa de quarks y gluones.
«Nuestro nuevo artículo trata de llevar esto a extremos aún más extremos, observando las colisiones entre fotones y núcleos», dijo Schenke.
Cambiando el proyectil
Se sabe desde hace mucho tiempo que las colisiones ultraperiféricas podrían crear interacciones fotón-núcleo, utilizando los propios núcleos como fuente de fotones. Esto se debe a que las partículas cargadas aceleradas a altas energías, como los núcleos/iones de plomo acelerados en el LHC (y los iones de oro en el RHIC), emiten ondas electromagnéticas, partículas de luz. Entonces, cada ion de plomo acelerado en el LHC está esencialmente rodeado por una nube de fotones.
«Cuando dos de estos iones se cruzan muy de cerca sin colisionar, se puede pensar que uno emite un fotón, que luego golpea al ion de plomo en el otro sentido», dijo Schenke. «Esos eventos suceden mucho; ¡es más fácil que los iones pasen por alto que chocar entre sí con precisión!»
Los científicos de ATLAS publicaron recientemente datos sobre intrigantes señales similares a flujos de estas colisiones de fotones y núcleos.
«Tuvimos que establecer técnicas especiales de recopilación de datos para detectar estas colisiones únicas», dijo Blair Seidlitz, físico de la Universidad de Columbia que ayudó a configurar el sistema de activación ATLAS para el análisis cuando era estudiante de posgrado en la Universidad de Colorado, Boulder. . «Después de recopilar suficientes datos, nos sorprendió encontrar señales de flujo que eran similares a las observadas en las colisiones de plomo-plomo y protón-plomo, aunque eran un poco más pequeñas».
Schenke y sus colaboradores se propusieron ver si sus cálculos teóricos podían describir con precisión los patrones de flujo de partículas.
Utilizaron los mismos cálculos hidrodinámicos que describen el comportamiento de las partículas producidas en los sistemas de colisión de plomo-plomo y protón-plomo. Pero hicieron algunos ajustes para tener en cuenta que el «proyectil» que golpea el núcleo principal cambia de un protón a un fotón.
Según las leyes de la física (en concreto, la electrodinámica cuántica), un fotón puede sufrir fluctuaciones cuánticas para convertirse en otra partícula con los mismos números cuánticos. Un mesón rho, una partícula hecha de una combinación particular de un quark y un antiquark unidos por gluones, es uno de los resultados más probables de esas fluctuaciones de fotones.
Si piensa en el protón, hecho de tres quarks, esta partícula rho de dos quarks es solo un paso hacia abajo en la escalera de la complejidad.
«En lugar de tener una distribución de gluones alrededor de tres quarks dentro de un protón, tenemos dos quarks (quark-antiquark) con una distribución de gluones alrededor de los que colisionan con el núcleo», dijo Schenke.
Contabilización de la energía
Los cálculos también tenían que tener en cuenta la gran diferencia de energía en estos sistemas de colisión fotón-núcleo, en comparación con protón-plomo y especialmente plomo-plomo.
«El fotón emitido que choca con el plomo no llevará todo el impulso del núcleo del plomo del que proviene, sino solo una pequeña fracción de eso. Por lo tanto, la energía de colisión será mucho menor», dijo Schenke.
Esa diferencia de energía resultó ser aún más importante que el cambio de proyectil.
En las colisiones más enérgicas de iones pesados de plomo-plomo u oro-oro, el patrón de partículas que emergen en el plano transversal a los haces que chocan generalmente persiste sin importar qué tan lejos se mire del punto de colisión a lo largo de la línea de luz (en la dirección longitudinal). Pero cuando Schenke y sus colaboradores modelaron los patrones de partículas que se esperaba que emergieran de las colisiones de plomo-fotón de menor energía, se hizo evidente que incluir los detalles 3D de la dirección longitudinal marcaba la diferencia. El modelo mostró que la geometría de las distribuciones de partículas cambia rápidamente al aumentar la distancia longitudinal; las partículas se vuelven «decorrelacionadas».
«Las partículas ven diferentes gradientes de presión según su posición longitudinal», explicó Schenke.
«Entonces, para estas colisiones de plomo-fotón de baja energía, es importante ejecutar un modelo hidrodinámico 3D completo (que es más exigente desde el punto de vista computacional) porque la distribución de partículas cambia más rápidamente a medida que avanza en la dirección longitudinal», dijo.
Cuando los teóricos compararon sus predicciones utilizando este modelo hidrodinámico 3D completo de baja energía con los patrones de flujo de partículas observados en las colisiones de fotones y plomo por el detector ATLAS, los datos y la teoría coincidieron muy bien, al menos para el patrón de flujo elíptico más obvio. , dijo Schenke.
Implicaciones y el futuro
«A partir de este resultado, parece concebible que, incluso en las colisiones de iones pesados de fotones, tengamos un fluido de fuerte interacción que responda a la geometría de colisión inicial, tal como lo describe la hidrodinámica», dijo Schenke. «Si las energías y las temperaturas son lo suficientemente altas», agregó, «habrá un plasma de quarks y gluones».
«Es concebible que, en las colisiones de iones pesados de fotones, tengamos un fluido que interactúa fuertemente», dijo el teórico de Brookhaven Lab, Bjoern Schenke.
Seidlitz, el físico de ATLAS, comentó: «Fue muy interesante ver estos resultados que sugieren la formación de una pequeña gota de plasma de quarks-gluones, así como también cómo este análisis teórico ofrece explicaciones concretas de por qué las firmas de flujo son un poco más pequeñas. en colisiones fotón-plomo».
Los datos adicionales que recopilará ATLAS y otros experimentos en el RHIC y el LHC durante los próximos años permitirán análisis más detallados de las partículas que fluyen de las colisiones de fotones y núcleos. Estos análisis ayudarán a distinguir el cálculo hidrodinámico de otra posible explicación, en la que los patrones de flujo no son el resultado de la respuesta del sistema a la geometría inicial.
En un futuro a más largo plazo, los experimentos en un Colisionador de iones de electrones (EIC), una instalación planeada para reemplazar a RHIC en algún momento de la próxima década en Brookhaven Lab, podrían proporcionar conclusiones más definitivas.
