Todos los colaboradores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han informado de signos de plasma de quarks-gluones, un estado extremo de la materia, en experimentos de colisión de oxígeno.
Un año después de la primera colisión de oxígeno en el LHC, los principales colaboradores del LHC, ALICE, ATLAS, CMS y LHCb, informaron cada uno de firmas de un estado de la materia conocido como plasma de quarks-gluones (QGP).
Este es el estado de la materia que se cree que existió durante las primeras millonésimas de segundo después del Big Bang, lo que significa que este estudio podría conducir a descubrimientos valiosos sobre los primeros momentos de la existencia del universo.
Anteriormente, se pensaba que el QGP sólo podía observarse utilizando iones más pesados.
Bajo una intensa presión y temperaturas 100.000 veces más altas que el centro del sol, las partículas compuestas se descomponen en quarks y los gluones que los unen.
Se pensaba que los iones de plomo, que son más de 200 veces más pesados que los protones que normalmente chocan en el LHC, eran la única forma de recrear las condiciones necesarias para la formación del QGP. Sin embargo, esta teoría fue cuestionada por la colaboración ALICE, que informó nuevas manifestaciones de QGP debido a colisiones protón-protón y protón-plomo. El año pasado, la colaboración del LHC descubrió signos de QGP en colisiones oxígeno-oxígeno, y esto se vio respaldado aún más en la última ronda de experimentos, que también encontró signos de QGP en colisiones oxígeno-neón.
Pérdida de energía de Parton como prueba de QGP
Las velocidades de los quarks y gluones significan que pierden energía a medida que pasan por las condiciones densas y calientes del experimento, un proceso llamado pérdida de energía parton. La colaboración ATLAS observó los efectos de la pérdida de energía de los partones debido a los desequilibrios entre pares de chorros de partículas producidos en colisiones oxígeno-oxígeno y neón-neón. Este efecto es más pronunciado en colisiones más frontales (centrales), donde la pérdida de energía aumenta a medida que aumenta la cantidad de QGP.
Otros estudios de ATLAS sobre partículas cargadas que rebotan en fotones han mostrado una dependencia similar de cuán central es la colisión, consistente con la pérdida de energía de las partículas que rebotan a medida que pasan a través del QGP.
Otros colaboradores investigaron cómo la pérdida de energía de las partículas afecta a diferentes partículas energéticas.
CMS observó la supresión de la producción de partículas cargadas en colisiones oxígeno-oxígeno y neón-neón en comparación con las colisiones protón-protón, lo que sugiere una pérdida de energía partónica en las colisiones de iones ligeros y la presencia de QGP.
El LHCb ha encontrado evidencia de que la supresión es más pronunciada en colisiones de neón pesado que involucran partículas compuestas de quarks charm y quarks ligeros. Esta es una característica esperada de la pérdida de energía del partón y es consistente con la formación de mayores volúmenes de QGP a medida que aumenta el tamaño de la colisión.
ALICE comparó la producción de otro tipo de partículas, los piones neutros, en colisiones oxígeno-oxígeno y protón-oxígeno, descartando la posibilidad de que fuerzas distintas a la pérdida de energía de los partones estén contribuyendo a la supresión de la producción de partículas. Este estudio encontró evidencia clara de la pérdida de energía del partón en colisiones oxígeno-oxígeno.
Otra pista sobre la formación de QGP es la supresión de estados ligados de corta duración formados por quarks pesados y sus antiquarks, que a menudo se producen como resultado de colisiones de alta energía. Los quarks en estos pares pueden acoplarse entre sí en diversos grados, y los investigadores pueden estimar la presencia de un QGP midiendo cómo suprime cada uno de los diferentes estados acoplados.
CMS encontró evidencia de esta supresión diferente de los mesones upsilon (los estados unidos del quark inferior y su antiquark) al comparar las colisiones oxígeno-oxígeno con las colisiones neón-neón. LHCb encontró evidencia preliminar de la misma supresión utilizando datos de colisiones protón-oxígeno y oxígeno-oxígeno.
Otras manifestaciones de QGP en condiciones de flujo anisotrópico.
Finalmente, la colaboración ALICE anunció resultados preliminares que sugieren otro indicio de QGP. La colaboración descubrió que las partículas formadas por tres quarks (bariones) producidas en colisiones oxígeno-oxígeno son más fuertes y se expulsan en una dirección preferida que las partículas formadas por dos quarks (mesones), un fenómeno conocido como flujo anisotrópico.
La teoría principal para esto es la existencia de QGP, que hacen que las partículas producidas en las colisiones se muevan con un impulso intermedio y exhiban un flujo anisotrópico. El hecho de que los bariones contengan un quark más que los mesones sugiere que los bariones heredan más de esta tendencia.
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