En este post quiero explicar algunos de los sorprendentes estudios que se realizan en la actualidad en el LHC. Los medios de comunicación dieron gran eco al descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC, por su relevancia en entender el origen de la masa de todas las partículas elementales. No tienen tanta difusión en los medios de comunicación otro tipo de experimentos que se llevan a cabo en este acelerador de partículas, pero que resultan igualmente fascinantes, no sólo porque nos permiten entender mejor las interacciones fundamentales entre partículas subatómicas en condiciones extremas, sino por la sofisticación tecnológica que implica realizar dichos experimentos.

En un post anterior ya hablé sobre las colisiones de iones pesados, o los llamados Little Bangs. Recordaré de nuevo aquí qué son. En el LHC se estudian colisiones protón-protón (pp), y con ellas se ha podido descubrir el bosón de Higgs. Pero también se hacen experimentos en los que se hacen colisionar los núcleos de átomos de plomo (Pb), acelerándolos a velocidades cercanas a la de la luz. Estos experimentos se han realizado también en otro acelerador en USA, el llamado RHIC, en Brookhaven, Long Island, aunque allá usan núcleos de átomos de oro, y las energías de la colisión son inferiores.

La razón por la cual se realizan estos experimentos de iones pesados es que con ellos se espera recrear las condiciones del universo primigenio, en la que materia estaba en la llamada fase de plasma de quarks y gluones. Cuando la temperatura es muy elevada, y eso ocurrió microsegundos después del Big Bang, todos los protones y neutrones que conforman la materia que nos rodea se funden en sus constituyentes fundamentales, los quarks y gluones. En los experimentos llevados a cabo en el LHC la energía cinética de los núcleos se transforma en térmica en la colisión, lo que hace que éstos literalmente se fundan, liberando a sus constituyentes. Las temperaturas alcanzadas son cientos de miles veces mayores que las que se hallan en una estrella como nuestro Sol. Estas bolas de fuego 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. Con los datos recogidos en estos detectores se espera poder estudiar las propiedades del plasma de quarks y gluones (QGP).

Figura 1 [APS/Alan Stonebraker] Hay varios tipos de medidas que se realizan en el LHC para descubrir las propiedades del QGP. Aquí me centraré en explicar sólo una de ellas. Se refiera al llamado "jet quenching" o extinción de jets. Para explicar este fenómeno lo mejor es recurrir a la analogía del proyectil que cruza un medio denso. Estudiando el poder de parada, o la distancia que llega a recorrer el proyectil en el medio, se pueden caracterizar y evaluar cómo se deposita la energía del proyectil en el medio, y caracterizar esa interacción. Algo muy similar se hace en estos experimentos, donde en este caso los proyectiles son una míriada de partículas subatómicas (los jets) y el medio es una de estas bolas de fuego, supuestamente formadas por el plasma de quarks y gluones, y que no son mucho más grandes que el núcleo de un átomo pesado. Claro está, en estos experimentos no se pueden medir distancias de parada, como en el ejemplo del proyectil, sino que las mediciones son mucho más sutiles. Se sabe, y se puede explicar desde la teoría que explica las interacciones nucleares fuertes, que al hacer colisionar dos protones se producen jets de partículas subatómicas. (véase la parte superior de la Figura 1). En los momentos iniciales de las colisiones de iones pesados se dan muchas colisiones individuales de sus componentes, protones y neutrones, pero en este caso los jets de partículas que se producen deben atravesar el medio nuclear caliente (véase la parte inferior de la Figura 1), y los jets de partículas interaccionan con el medio, perdiendo parte o toda de su energía inicial.

Lo que se hace es comparar el espectro de partículas que se produce en el caso de la colisión pp con el que corresponde al de los dos núcleos de Pb, normalizado por el número correspondiente a todas las colisiones binarias de nucleones que se podrían dar. Si las dos cantidades fueran semejantes, se concluiría que el medio no afecta a la propagación de los jets. Y ese es el valor hallado para las partículas subatómicas que no experimentan directamente las interacciones nucleares fuertes. Pero para las que sí lo hacen, se ve cómo el medio afecta el espectro final de partículas. Mientras que estos jets en general se generan en pares, viajando en direcciones opuestas, en estos experimentos muchas veces sólo se detecta uno del par, lo que indica la extinción del otro jet. El fenómeno de jet quenching en estos experimentos fue inicialmente descubierto en RHIC. Ahora el LHC está haciendo medidas más precisas, y con rangos de energías más altos. Los últimos resultados experimentales asociados al fenómeno de jet quenching indican que el quark-gluon plasma parece afectar casi de la misma manera a los jets formados por partículas subatómicas que contienen quarks ligeros, como el up, down, como las que contienen quarks pesados, como el bottom, que llega a tener una masa unas mil veces superior a la del quark up, lo que ha sorprendido a cierta parte de la comunidad científica, pues sus predicciones teóricas no llegaron a predecir este resultado.

Estos estudios experimentales son esenciales para acabar de entender el comportamiento de las interacciones nucleares fuertes en condiciones extremas de temperatura y densidad. Aunque la cromodinámica cuántica (QCD) es la teoría que describe las interacciones nucleares fuertes, su complejidad hace que no sea sencillo describir fenómenos que ocurren en condiciones muy extremas. Sin embargo, profundizar en su comprensión es relevante para tratar  de entender el comportamiento de la materia en los instantes iniciales del universo. 

Para saber más: 

C. Manuel, "The Stopping power of hot nuclear matter", Physics 7 (2014) 97

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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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