Los científicos del corredor de iones pesados relativistas (RHIC) han capturado una nueva evidencia de plasma de quark-gluon (un estado exótico de materia que parece haber existido poco después del Big Bang) que reaccionó cuando se ataca por un chorro de partículas de energía.
Utilizando mediciones de jet de fotones de precisión, los investigadores observaron el dramático efecto de «salpicadura lateral» dentro de esta sopa primitiva, dando una visión más profunda de uno de los asuntos más extremos del universo.
Estos hallazgos no solo desbloquean nuevas señales sobre el universo temprano, sino que también desafían los supuestos de larga data sobre la fluidez completa y la dinámica de la energía del plasma.
¿Qué es el plasma quark-gluon?
Quark-Gluon Plasma (QGP) es un medio muy caliente y denso que llenó el universo justo después del Big Bang.
En ese momento, las partículas básicas, como los quarks y los gluones (generalmente unidos al interior de protones y neutrones), deambulaban libremente en un líquido sin fricción como la sopa. Comprender este estado de la materia es importante para aclarar cómo se formó el universo visible, incluidos los átomos y las galaxias, en última instancia.
Para replicar y estudiar QGP, los investigadores usan RHIC, un poderoso acelerador de partículas, en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Al armar los núcleos de oro a casi la velocidad de la luz, disuelven temporalmente los componentes atómicos en menos de un billonésimo de un billonésimo de un plasma de quark-gluon.
Reconstrucción del chorro: una nueva ventana al plasma
Los nuevos datos de RHIC se centran en la interacción entre los chorros de alta energía (cascadas de partículas que emergen de colisiones violentas) y QGP.
Hasta ahora, la mayoría de las investigaciones se han centrado en el «enfriamiento de jet». El chorro se debilita o se dispersa después de mover el plasma. Sin embargo, estos estudios a menudo solo analizaban las mejores partículas de energía, proporcionando imágenes incompletas.
En este nuevo análisis por la colaboración estelar de RHIC, los científicos reconstruyen todo el chorro, que aparece de forma consecutiva con fotones (partículas de luz). Los fotones no interactúan con el plasma quark-gluon, actuando así como una referencia precisa a la energía original del chorro.
Al comparar la energía y la propagación de estos jets, con o sin QGP, los científicos pueden usar efectivamente los chorros como una sonda para iluminar las propiedades del plasma, similar a la forma en que los rayos X revelan estructuras dentro del cuerpo humano.
Splash and Sideways: cono más amplio de descubrimiento
Una de las revelaciones más innovadoras de este estudio es observar cómo se distribuye la energía cuando los aviones interactúan con QGP.
Al reconstruir chorros dentro de diferentes conos de ángulo, de estrecho a ancho, los científicos han descubierto que la energía es más amplia en las colisiones, incluido QGP. Esto sugiere que cuando el chorro pasa por el plasma, gira la energía de lado en lugar de directamente hacia adelante.
La distribución lateral, a menudo denominada efecto de salpicaduras, es similar a la forma en que las ruedas de la bicicleta vierten agua cuando golpean un charco. Los chorros pierden energía al estimular el plasma circundante, que produce ondas más amplias de partículas detectables en el campo angular más ancho.
Esta evidencia muestra claramente que la llamada energía «faltante» no se pierde, sino que se redistribuye por interacciones dentro del plasma.
El papel de los fotones directos y los algoritmos avanzados.
La detección de esta sutil salpicadura horizontal requirió un análisis de datos sofisticado y un seguimiento preciso de partículas.
La clave era identificar «fotones directos». Esto es algo que se emite directamente del evento de colisión, en oposición a la producida por el proceso de atenuación posterior. Estos fotones actúan como marcas de tiempo y aparecen en los mismos niveles instantáneos y de energía que el jet socio.
Utilizando algoritmos de identificación de fotones finamente ajustados y técnicas estadísticas avanzadas, el equipo pudo aislar estos eventos de fotones directos.
A partir de ahí, reconstruyeron los aviones asociados y analizaron cómo se comportaron de manera diferente en colisiones que produjeron plasmas de quark-gluon en comparación con los plasmas de quark-gluon, incluidas las interacciones más simples de protones.
Impacto en las propiedades de QGP
Estos hallazgos no son solo mejores detecciones. Trae un significado profundo para comprender las propiedades físicas de QGP.
En particular, el descubrimiento de que la mayor parte de la energía del chorro perdido se puede recuperar dentro de un cono de 30 grados es luz brillante sobre la viscosidad y la densidad de QGP, lo que significa cuán inquietante es el plasma debido al chorro.
QGP a menudo se describe como un líquido casi completo con poca resistencia al flujo. Estas nuevas observaciones respaldan esa explicación y pueden ayudar a definir un valor más preciso para su viscosidad, una de las propiedades más importantes de la dinámica de fluidos.
Además, comprender cómo la pérdida de energía depende del camino del chorro a través del plasma abre la puerta para un mapeo más detallado de QGP. Los científicos apuntan a determinar si la distancia de viaje de chorro o la fuerza de interacción juegan un papel mayor en la disipación de energía.
Al continuar mejorando las técnicas de seguimiento de jet y fotones, los investigadores están convirtiendo a RHIC en una especie de máquina del tiempo.
El plasma Quark-Gluon sigue siendo una de las fronteras más emocionantes a medida que los investigadores empujan los límites de la física de alta energía.
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