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Nuevo paso para el estudio del estado fundamental de la materia

Las colisiones entre protones siguen patrones parecidos a los de las colisiones entre núcleos pesados


Un descubrimiento realizado en el CERN abre una nueva dimensión para el estudio de las propiedades de este estado fundamental de la materia del cual surgió nuestro Universo: las colisiones entre protones que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) siguen en ocasiones patrones parecidos a los de las colisiones entre núcleos pesados. El hallazgo emociona a los científicos.





A medida que aumenta el número de partículas producidas en las colisiones de protones (las líneas azules), se mide el mayor número de los “hadrones extraños” (como se muestra en los gráficos naranja a rojo) (Imagen: ALICE / CERN)
A medida que aumenta el número de partículas producidas en las colisiones de protones (las líneas azules), se mide el mayor número de los “hadrones extraños” (como se muestra en los gráficos naranja a rojo) (Imagen: ALICE / CERN)
La colaboración científica del experimento ALICE publica en Nature Physics un artículo en el que muestra que las colisiones entre protones que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo situado en la sede del CERN en Ginebra (Suiza), siguen en ocasiones patrones parecidos a los de las colisiones entre núcleos pesados.

Este comportamiento se observó mediante el estudio de los llamados ‘hadrones extraños’ en ciertas colisiones entre protones donde se producen gran número de partículas. Los hadrones extraños son partículas bien conocidas (Kaon, Lambda, Xi, Omega), que contienen al menos un quark extraño.

El incremento en la producción de partículas extrañas es un fenómeno bien conocido en el plasma de quarks y gluones, el estado de la materia de altísima temperatura en el que se encontraba todo el Universo unas millonésimas de segundo después del Big Bang.

Habitualmente se estudia este estado en colisiones de núcleos atómicos pesados en el LHC. Es la primera vez que se observa, sin embargo, en colisiones entre protones, donde no se esperaba alcanzar las condiciones de alta temperatura necesarias.

“Estamos muy emocionados con este descubrimiento”, dice Federico Antinori, portavoz de la colaboración ALICE. “Estamos aprendiendo mucho sobre este estado primigenio de la materia, y ser capaces de aislar fenómenos similares al plasma de quarks y gluones en un sistema más pequeño y simple, como son las colisiones entre dos protones, abre una nueva dimensión para el estudio de las propiedades de este estado fundamental de la materia del cual surgió nuestro Universo”.

El estudio del plasma de quarks y gluones permite investigar las propiedades de la llamada interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La producción de estas partículas ‘extrañas’ es una manifestación de este estado de la materia.

Para crear el plasma de quarks y gluones se necesitan unas condiciones de temperaturas y densidades extremas, de tal manera que la materia ordinaria sufre una transición a una nueva fase en la que los quarks y los gluones se liberan y no se encuentran confinados dentro de los hadrones.

Estas condiciones se producen en el LHC haciendo chocar núcleos pesados (formados por muchos protones y neutrones) a altas energías. En este medio de alta densidad de energía, la producción de quarks extraños, más pesados que los que componen la materia visible y por tanto más difíciles de crear en condiciones normales, se parece a la de otros quarks más ligeros. Este es el fenómeno que se ha visto ahora por primera vez también en colisiones entre protones.  

Multiplicidad

En concreto, los nuevos resultados muestran que la tasa de producción de estos hadrones extraños aumenta con la multiplicidad (el número de partículas producido en el choque) de forma más rápida que la producción de otras partículas generadas en la misma colisión.

Aunque la estructura del protón no incluye quarks extraños, los datos muestran también que cuanto mayor es el número de este tipo de quarks en los hadrones creados, más se incrementa su producción.

No se ha observado correlación entre este fenómeno y la energía de la colisión o las masas de las partículas creadas, lo que indica que el incremento viene determinado por el contenido de quarks extraños de las partículas producidas.

La producción de ‘extrañeza’ se determina en la práctica contando el número de partículas extrañas producido en una colisión determinada y calculando el balance entre estas y otras ‘no extrañas’.

El incremento en la producción de extrañeza se ha sugerido como una posible consecuencia de la formación del plasma de quarks y gluones desde principios de los ochenta, y se descubrió en los noventa en las colisiones entre núcleos del acelerador Super Protron Sincrotron del CERN.

Otra posible consecuencia de la formación del plasma de quarks y gluones es la correlación espacial de las partículas a lo largo de una estructura longitudinal en forma de cresta.

Tras su detección en colisiones entre núcleos pesados, esta estructura se ha visto también en las colisiones entre protones con alta multiplicidad del LHC, proporcionando la primera indicación de que las colisiones entre protones podrían presentar propiedades como las de los núcleos pesados.

Estudiar estos procesos de forma más precisa será clave para entender los mecanismos microscópicos del plasma de quarks y gluones, así como el comportamiento colectivo de las partículas  en pequeños sistemas. 

El experimento ALICE fue diseñado para estudiar colisiones de núcleos pesados. También estudia colisiones entre protones, que ofrecen en principio una referencia para analizar las colisiones entre núcleos pesados. Las medidas publicadas se obtuvieron con los datos de las colisiones entre protones a 7 TeV obtenidas por el LHC durante su primer periodo de funcionamiento (Run 1).


(La traducción del comunicado del CERN ha sido realizada por CPAN)

Referencia

Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton–proton collisions. Nature Physics (2017),  doi:10.1038/nphys4111 
 


Jueves, 27 de Abril 2017
CERN/T21
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