Nuevos resultados de la colaboración ALICE sugieren que se pueden formar plasmas de quarks y gluones no sólo en experimentos con iones pesados sino también en colisiones de protones.
Un nuevo análisis de la colaboración ALICE está remodelando la forma en que los físicos entienden las condiciones necesarias para la creación del plasma de quarks-gluones (QGP), un estado de la materia que se cree que existió poco después del Big Bang.
Los hallazgos, publicados en Nature Communications, muestran que incluso las colisiones de partículas relativamente pequeñas pueden exhibir propiedades asociadas durante mucho tiempo sólo con experimentos a gran escala con partículas pesadas.
El QGP se ha estudiado durante décadas triturando iones pesados, como los núcleos de plomo, a energías muy altas. Estas colisiones reproducen el intenso calor y la densidad necesarios para liberar los quarks y gluones normalmente atrapados dentro de protones y neutrones.
Generalmente se pensaba que los sistemas más pequeños, como las colisiones protón-protón, no podían alcanzar tales condiciones.
Esta suposición está ahora bajo una presión cada vez mayor.
Surge evidencia de colisiones de protones
La colaboración ALICE analizó datos de colisiones protón-protón y protón-plomo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), centrándose en cómo emergen las partículas de estos eventos.
Un aspecto importante que se puede observar es el «flujo anisotrópico», un fenómeno en el que las partículas no se expulsan de manera uniforme sino preferentemente en una dirección determinada.
En las colisiones de iones pesados, este patrón direccional se interpreta ampliamente como evidencia de un comportamiento colectivo dentro del plasma de quarks y gluones. Una nueva investigación muestra que surgen patrones similares en sistemas más pequeños si se producen suficientes partículas.
Más importante aún, los investigadores observaron una clara separación entre dos clases de partículas: bariones (compuestos por tres quarks) y mesones (compuestos por dos quarks).
En el rango de momento intermedio, los bariones exhibieron consistentemente un flujo anisotrópico más fuerte que los mesones. Esta es una característica distintiva previamente asociada con la formación de QGP.
La dinámica a nivel de quarks proporciona pistas
Esta diferencia entre tipos de partículas suele explicarse mediante un mecanismo conocido como coalescencia de quarks.
En este marco, los quarks que fluyen en un plasma se combinan para formar partículas compuestas. Los bariones contienen un quark adicional en comparación con los mesones y, por lo tanto, heredan un movimiento colectivo más fuerte.
Los investigadores de ALICE ampliaron este análisis a múltiples especies de partículas y un amplio rango de impulsos para aislar señales que reflejen un verdadero comportamiento colectivo en lugar de ruido de fondo.
La coherencia del patrón entre diferentes sistemas refuerza el argumento de que las interacciones a nivel de quarks están causando los efectos observados.
Estos hallazgos sugieren que los quarks en sistemas más pequeños en colisión pueden entrar temporalmente en un estado similar al plasma de quarks-gluones antes de recombinarse en hadrones.
El modelo confirma parcialmente la foto.
Para interpretar los datos, los colaboradores compararon los resultados experimentales con simulaciones teóricas. Un modelo que incorpora tanto el flujo anisotrópico a nivel de quarks como las fusiones hadrónicas posteriores pudo reproducir las tendencias generales observadas en los datos.
Por el contrario, las simulaciones que excluyeron cualquiera de estos procesos fueron inconsistentes con las observaciones, lo que reforzó la idea de que ambos mecanismos son esenciales para comprender los resultados.
Sin embargo, este acuerdo no es exacto. Siguen existiendo inconsistencias, particularmente en cómo los modelos describen la estructura interna de los protones y la forma inicial de las colisiones.
Estas incertidumbres limitan la precisión con la que los investigadores pueden interpretar los hallazgos y señalar áreas donde todavía se necesita investigación teórica.
Cerrando la brecha entre sistemas pequeños y grandes
Las implicaciones de este estudio se extienden más allá de un único conjunto de mediciones. Si los plasmas de quarks y gluones pueden formarse en sistemas más pequeños, esto desafía los límites tradicionales entre la física de colisiones a pequeña y gran escala y plantea nuevas preguntas sobre cómo surgen y evolucionan los QGP.
Los datos futuros pueden ayudar a aclarar la situación. Se espera que los experimentos que implican colisiones de iones de oxígeno registrados en 2025 proporcionen un sistema intermedio entre las colisiones de protones y plomo.
Estos resultados pueden ayudar a determinar si el comportamiento observado varía suavemente con el tamaño del sistema o refleja diferentes condiciones físicas.
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