Al descifrar las firmas de partículas que se descomponen a solo décimas de milímetro del centro de una bola de fuego de un billón de grados que imita el universo primitivo, los físicos nucleares que rompen átomos en el Colisionador de iones pesados relativistas RHIC están revelando nuevos detalles sobre el fundamentalpartículas que componen nuestro mundo.
Las colisiones de partículas en RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, recrean regularmente pequeñas especificaciones de plasma quark-gluón QGP, una mezcla de quarks y gluones, elbloques de construcción fundamentales de materia visible, que existieron por última vez como partículas libres hace unos 14 mil millones de años. Las colisiones liberan a los quarks y gluones de su confinamiento dentro de partículas ordinarias por ejemplo, protones y neutrones para que los físicos nucleares puedan estudiar sus interacciones y la fuerza quelos mantiene unidos en el universo hoy.
Las nuevas medidas, descritas en un artículo recién publicado Cartas de revisión física , son los primeros en provenir de una actualización de precisión del detector STAR de RHIC conocido como "Heavy Flavor Tracker" HFT. Específicamente, el documento brinda detalles sobre la primera medición directa en RHIC de cómo un tipo de partícula pesada que contiene unEl quark "encanto" queda atrapado en el flujo de la bola de fuego en expansión. Esta medida, un testimonio de las capacidades del HFT, ofrece a los científicos una nueva ventana para comprender las interacciones de las partículas que componen la sopa subatómica.
"Al comparar nuestras mediciones con predicciones teóricas que incluyen los diversos parámetros que juegan un papel en estas interacciones, cosas como el coeficiente de difusión qué tan rápido se extienden los quarks encantadores por todo el plasma y la viscosidad qué tan pegajosa es la QGP -"podemos aprender sobre cómo estas diferentes propiedades se relacionan entre sí y, en última instancia, por qué el QGP se comporta de la manera en que lo hace", dijo el físico de Brookhaven Flemming Videbaek, gerente de proyecto responsable de la fabricación general del STAR HFT.
seguimiento de partículas de precisión
Las partículas que contienen quarks pesados se consideran sondas ideales para comprender el plasma de quark-gluon porque pueden interactuar de manera diferente con el plasma que los quarks ligeros, ofreciendo pistas sutiles sobre sus propiedades. Pero el QGP escupe partículas que contienen quarks pesados solo en raras ocasiones, en mediomiles de otras partículas hechas de las variedades más ligeras de quarks. Las pocas partículas pesadas que emergen se descomponen en otras partículas casi instantáneamente: meras fracciones de un milímetro de la bola de fuego QGP en la que fueron creadas. Esta rareza y descomposición rápida hacen partículas pesadasdifícil de detectar
El HFT de STAR, un dispositivo de rastreo de última generación que ahora se encuentra en el centro del detector del tamaño de una casa, fue diseñado para rastrear las esquivas pero importantes partículas pesadas. Desarrollado por físicos nucleares en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el HFTes el primer detector de silicio en un colisionador que utiliza la tecnología Monolithic Active Pixel Sensor, la misma tecnología utilizada en las cámaras digitales. Los sensores ultrafinos, a diferencia de muchos de los componentes de detección de partículas de STAR, se encuentran muy cerca de la rampa central en la quelas colisiones tienen lugar. Aunque no está lo suficientemente cerca como para detectar el pesado quark encanto, esta ubicación y la alta resolución del detector 360 millones de píxeles que miden 20 x 20 micras cada uno le permiten detectar signos de la descomposición de las partículas pesadas.
Para este estudio en particular, los físicos de STAR estaban rastreando partículas llamadas kaones y piones que emergen cuando las partículas que contienen quark-encanto conocidas como descomposición D-ceros. Un esfuerzo concertado de muchos grupos de la colaboración, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Estatal de Kent y la Universidad de Illinois en Chicago, hicieron que este análisis fuera exitoso en poco tiempo.
"Usamos el HFT para buscar kaons y piones que están muy cerca uno del otro, dentro de fracciones de un milímetro uno del otro, cuyos caminos desde la colisión emergen de un único punto que está lejos del vértice de la colisión, perono muy lejos, alrededor de 100-500 micras ", dijo Videbaek. Esa es la distancia que recorren los D0 antes de que decaigan, explicó. Si el kaon y el pión tienen la masa y las trayectorias correctas que emergen de ese punto, los científicos pueden concluir quese originó a partir de un D0 en ese punto, y use estas medidas para rastrear la aparición de D0 de todo el QGP.
"La precisión de nuestra medición no tiene precedentes", dijo Xin Dong, un físico de Berkeley Lab que dirigió a los posdoctorados y estudiantes que realizan el análisis de la física en los resultados de sabor pesado ". Fue extremadamente difícil debido a la interferencia de miles de otras partículasproducido en las mismas colisiones de iones pesados, un poco como sacar una aguja de un pajar ".
interacciones de flujo libre
Los hallazgos, basados en un análisis de decenas de miles de tales "agujas" en 1.100 millones de colisiones, fueron algo sorprendentes.
Piense en la forma creada cuando dos iones de oro esféricos colisionan del centro formando una superposición oblonga, algo así como una pelota de fútbol de punta. Los físicos de STAR encontraron más D0 emergiendo de la parte gorda de la "pelota de fútbol" que de sus extremos puntiagudos.Este patrón de "flujo elíptico" era familiar a partir de las mediciones de partículas más ligeras que emergen del QGP. Pero los físicos nucleares inicialmente no esperaban que partículas tan pesadas quedaran atrapadas en el flujo.
"Los D0 se crean en la primera parte de la colisión, cuando los quarks y los gluones están libres", dijo Videbaek. "Los físicos no pensaron que estas partículas de quark pesado tendrían tiempo para interactuar o equilibrarse con el QGP, que existe solo por una fracción infinitesimalmente pequeña de un segundo ".
En cambio, el hecho de que los quarks pesados exhiban el mismo flujo elíptico que las partículas más ligeras es evidencia de que están en equilibrio, interactuando con los quarks y gluones libres en el QGP.
"El tipo de flujo que observamos para partículas con quarks pesados sugiere que sus interacciones dentro del plasma quark-gluon son tan fuertes que los quarks pesados se convierten en parte de la 'sopa de quark-gluon'", dijo Dong.
Grazyna Odyniec, líder del Programa de Colisiones Nucleares Relativistas de Berkeley Lab, agregó: "El descubrimiento del flujo elíptico de un quark encanto muy masivo es de fundamental importancia para nuestra comprensión de la dinámica de la fase de plasma quark-gluón. Abre una amplia gamade especulaciones teóricas sobre la naturaleza de un posible mecanismo o mecanismos detrás de esta observación ".
El físico de Brookhaven Lab y portavoz de colaboración de STAR, Zhangbu Xu, señaló que la capacidad de rastrear el flujo y la difusión de las partículas pesadas les da a los físicos nucleares una nueva forma de "ver" y estudiar las interacciones de los quarks y gluones que se mueven libremente y otras propiedades deQGP: algo similar a la forma en que los científicos del siglo pasado rastrearon las vibraciones de los granos de polen en el agua para conocer sus propiedades.
"Einstein demostró en 1905 que existen átomos y moléculas, y que podríamos usar el llamado movimiento browniano de los granos de polen para medir las propiedades del fluido y otras constantes físicas fundamentales", dijo Xu. "Ahora podemos usar elquarks de encanto como los granos de polen para medir el flujo y otras propiedades del QGP ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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