Los experimentos de colisiones de iones pesados a altas energías nos revelan propiedades del universo microsegundos después del Big Bang. Hasta la fecha estos Little Bangs  nos  han mostrado un fluido con propiedades singulares, y que de momento se escapa a nuestra comprensión. 

Los gradientes de presión del fluido que se originan cuando hay una geometría no isótropa (resultado de una colisión de iones no central) se trasladan en distribución de velocidades anisótropa de las partículas finalmente detectadas.

He descrito ya en este blog los experimentos destinados a recrear el estado de la materia microsegundos después del Big Bang, cuando la temperatura del universo primigenio era muy elevada, centenares de miles de veces la temperatura que hay en el interior de una estrella como nuestro sol. Es la llamada fase de plasma de quarks y gluones, pues se espera que a esas condiciones extremas los neutrones y protones se fundan, liberarando a sus constituyentes fundamentales, los quarks y gluones, formando esta nueva forma de la materia.

Los experimentos de colisiones de iones pesados a energías ultrarelativistas,conocidos también como Little Bangs, se han llevado y llevan a cabo en dos laboratorios. Uno es el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Brookhaven National Laboratory de Estados Unidos, y también en el Large Hadron Collider (LHC) del CERN. En estos experimentos la energía cinética de los iones después de la colisión se transforma en térmica, lo que hace que todos los nucleones se fundan. Estas bolas de fuego creadas en las colisiones después se expanden, se enfrían, y entonces de nuevo todos los quarks y gluones en su interior se reagrupan, formando nuevas partículas subatómicas, tales como protones, neutrones, piones, kaones, etc, que salen despedidas en todas direcciones, hasta que son detectadas en el laboratorio.

En otro post hablé sobre las propiedades de los jets de partículas que se originan en estas bolas de fuego, y que nos traen información sobre este estado de la materia. Pero quiero hablar hoy de que en estos experimentos se
crea un fluido que bate todos los récords posibles, y aún no entendemos el por qué. Hay que pensar que estas bolas de fuego tienen dimensiones del tamaño de un núcleo atómico grande ( del orden de 10-14 metros), y enseguida se desvanecen y expanden (tienen una vida del orden de 10-23 segundos). Dependiendo de la geometría de la colisión de iones se encuentra que las distribuciones de velocidades de las partículas detectadas en el plano perpendicular al eje de colisión no son uniformes. Es posible explicar estas distribuciones aplicando las leyes de la hidrodinámica de un fluido relativista, en el que la viscosidad es muy pequeña, por ello se dice que es un fluido casi perfecto. La razón entre la viscosidad y la entropía del fluido es la más baja de todos los fluidos conocidos hasta la fecha. Este descubrimiento hizo anunciar en el 2011 que RHIC servía el fluido perfecto. En el CERN se han verificado estos resultados, en colisiones a mayor energía y que producen sistemas a más altas temperaturas. Los datos experimentales sugieren que el régimen en que la materia que se origina en estas colisiones tiene un comportamiento como fluido muy poco después de que se produzca la colisión, antes de lo que se había podido predecir.

La viscosidad nos da cuenta de la fricción en el fluido. Hay dos tipos de viscosidades, la llamada de volumen, que explica la resistencia al cambio cuando el fluido se expande o se contrae. Pero esta puede ser exactamente cero si el fluido es invariante bajo escala, y es menos interesante para nuestra discusión. O la viscosidad de cizalla, que da cuenta de la resistencia del fluido cuando las diferentes capas del fluido se mueven cada una en relación a la otra, como resultado de una fuerza ejercida sobre una de las capas del fluido. Para visualizar el concepto, decimos que por ejemplo la miel es muy viscosa, mientras que el agua es muy poco viscosa. Si conocemos los componentes microscópicos del sistema y sus interacciones, y en régimen en el que éstas no sean fuertemente acoplados, la viscosidad de un fluido se puede calcular desde primeros principios. Es decir, que si conocemos los componentes microscópicos del fluido, y como interactúan entre sí, siempre que el sistema no esté fuertemente acoplado, podemos calcular la viscosidad del fluido. Parte de la investigación que he realizado en el pasado se ha centrado en estos cálculos.

Las predicciones que inicialmente se hicieron para la viscosidad de cizalla en este sistema han fallado de forma severa. El motivo por el cual esto es así, y explicar el bajo valor de la viscosidad en este especial fluido es una de las cuestiones que están bajo debate en la comunidad de física teórica. Más enigmas se añaden cuando se han repetido estos experimentos de colisiones en sistemas que originan bolas de fuego aún más pequeñas y con menor número de nucleones participantes. Las leyes de la hidrodinámica se pueden derivar de un sistema formado por muchas partículas si se cumplen ciertas premisas. En concreto, que el llamado número de Knudsen, que es la razón entre el recorrido medio, o distancia que recorren las partículas entre colisiones, y las escalas macroscópicas del sistema sea pequeño. Pero los experimentos de iones pesados sugieren que la hidrodinámica también funciona incluso cuando en estos sistemas el número de Knudsen no es pequeño.

La teoría de cuerdas postula que la física de teorías semejantes a la
correspondiente al plasma de quarks y gluones se puede relacionar con la física de agujeros negros en más dimensiones y en una geometría peculiar.
Eso ha conducido a muchos expertos en teoría de cuerdas a aplicar estas relaciones, o dualidades, tal como se las llama más técnicamente, al estudio de la física de estas colisiones de iones pesados. Es mi opinión personal que aunque estos tratamientos nos dan una manera nueva de calcular, no nos acaban de explicar la física que acontece en estos sistemas.

 

La otra sorpresa es que se genera en estos experimentos un fluido con la más alta vorticidad conocida, noticia que fue portada de la revista Nature en 2017. En un fluido con vorticidad las diferentes partículas subatómicas orientan su spin (propiedad que da cuenta de su giro sobre un eje interno de la partícula) en la misma dirección que la del eje de giro del fluido, o de la vorticidad. La vorticidad en este caso se ha podido medir al descubrir que el spin de cierto tipo de partículas subatómicas, en concreto de los hiperones Lambda, estaba orientado en una dirección determinada, y no de forma aleatoria.

El fluido más pequeño, con menor vida media, de menor viscosidad y más alta vorticidad representa un gran enigma para la física teórica. Nos da información sobre cómo era el universo primigenio, y puede poner en entredicho muchas de las cosas que creíamos sólidamente establecidas sobre la validez de las leyes de la hidrodinámica.

Cristina Manuel Hidalgo
Cristina Manuel Hidalgo

Investigadora científica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-IEEC).

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Sobre este blog

La física nos ayuda a comprender el universo que nos rodea: desde los constituyentes más ínfimos de la materia, hasta todo el cosmos que nos envuelve.

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