Gracias a un nuevo desarrollo en la teoría de la física nuclear, los científicos que exploran las bolas de fuego en expansión que imitan el universo primitivo tienen nuevos signos que buscar a medida que trazan la transición del plasma primordial a la materia tal como la conocemos. El trabajo de la teoría, descrito en unartículo publicado recientemente como Sugerencia del editor en Cartas de revisión física PRL , identifica patrones clave que serían prueba de la existencia de un llamado "punto crítico" en la transición entre las diferentes fases de la materia nuclear.Al igual que los puntos de congelación y ebullición que delinean varias fases del agua líquido, hielo sólido y vapor, los puntos que los físicos nucleares buscan identificar les ayudarán a comprender las propiedades fundamentales del tejido de nuestro universo.
Los físicos nucleares crean las bolas de fuego al chocar núcleos ordinarios, hechos de protones y neutrones, en un "destructor de átomos" llamado Colisionador de iones pesados relativistas RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Los aplastamientos subatómicos generan temperaturas que miden billones de grados, lo suficientemente calientes como para "derretir" los protones y neutrones y liberar sus bloques de construcción internos: quarks y gluones. El colisionador esencialmente retrocede el reloj para recrear el "plasma quark-gluon" QGP que existía justo después del Big Bang. Al rastrear las partículas que emergen de las bolas de fuego, los científicos pueden aprender sobre las transiciones de fase nuclear, tanto la fusión como la forma en que los quarks y gluones se "congelan" como lo hicieron al comienzo del tiempopara formar la materia visible del mundo de hoy.
"Queremos entender las propiedades de QGP", dijo el teórico nuclear Raju Venugopalan, uno de los autores del nuevo artículo. "No sabemos cómo podrían usarse esas propiedades, pero hace 100 años, no lo sabíamossepa cómo usaríamos las propiedades colectivas de los electrones, que ahora forman la base de casi todas nuestras tecnologías. En aquel entonces, los electrones eran tan exóticos como lo son los quarks y los gluones ".
Fases cambiantes
Los físicos de RHIC creen que dos tipos diferentes de cambios de fase pueden transformar el QGP caliente en protones y neutrones ordinarios. Es importante que sospechen que el tipo de cambio depende de la energía de colisión, que determina las temperaturas generadas y cuántas partículas quedan atrapadasen la bola de fuego. Esto es similar a la forma en que los puntos de congelación y ebullición del agua pueden cambiar bajo diferentes condiciones de temperatura y la densidad de las moléculas de agua, explicó Venugopalan.
En colisiones RHIC de baja energía, los científicos sospechan que si bien se produce el cambio de fase de QGP a protones / neutrones ordinarios, coexisten ambos estados distintos QGP y materia nuclear ordinaria, al igual que coexisten burbujas de vapor y agua líquida al mismo tiempotemperatura en una olla de agua hirviendo. Es como si los quarks y gluones o moléculas de agua líquida tuvieran que detenerse a esa temperatura y pagar un peaje antes de que puedan obtener la energía necesaria para escapar como QGP o vapor.
En contraste, en colisiones de mayor energía, no hay una puerta de peaje a la temperatura de transición donde los quarks y los gluones deben "detenerse". En su lugar, se mueven en un camino continuo entre las dos fases.
¿Pero qué sucede entre estos reinos de baja energía y de alta energía? Descubrirlo ahora es uno de los principales objetivos de lo que se conoce como "exploración de energía del haz" en RHIC. Al chocar sistemáticamente los núcleos en una amplia gama de energías,los físicos en la colaboración STAR de RHIC están buscando evidencia de un punto especial en su mapa de estas fases nucleares y las transiciones entre ellas: el diagrama de fase nuclear.
En este llamado "punto crítico", habría una parada de peaje, pero el costo sería de $ 0, por lo que los quarks y gluones podrían pasar de protones y neutrones a QGP muy rápidamente, casi como si todo el agua enla olla se convirtió en vapor en un solo instante. Esto puede suceder realmente cuando el agua alcanza su punto de ebullición a alta presión, donde la distinción entre las fases líquida y gaseosa comprimida se desdibuja hasta el punto de que las dos son prácticamente indistinguibles.QGP, los físicos esperarían ver signos de este efecto dramático patrones en las fluctuaciones de partículas observadas golpeando sus detectores cada vez más cerca se acercan a este punto crítico.
En experimentos ya realizados en las energías intermedias, los físicos de STAR han observado tales patrones, que pueden ser signos del punto crítico hipotético. Esta búsqueda continuará con mayor precisión en un rango más amplio de energías durante un segundo escaneo de energía del haz, comenzando en2019. El nuevo trabajo teórico del físico de Brookhaven Swagato Mukherjee, Venugopalan, y el ex postdoc Yi Yin ahora en el MIT, parte de una nueva colaboración financiada por Beam Energy Scan Theory BEST Topical Collaboration in Nuclear Theory, proporcionará una hoja de ruta paraguiar a los investigadores experimentales.
señales para buscar
Ciertas características de los patrones que ocurren durante los cambios de fase son universales, sin importar si está estudiando agua, quarks, gluones o imanes. Pero un avance clave del nuevo trabajo de teoría fue usar un conjunto diferente de características universales paracuenta para el dinámico condiciones del plasma en expansión quark-gluon.
"Todas las predicciones, la forma en que comenzamos a buscar un punto crítico hasta ahora, se basaron en patrones calculados asumiendo que tiene una olla hirviendo en una estufa, un sistema algo estático", dijo Mukherjee. "Pero QGP se está expandiendo ycambiando con el tiempo. Es más como agua hirviendo a medida que fluye rápidamente a través de una tubería ".
Para tener en cuenta las condiciones evolutivas del QGP en sus cálculos, los teóricos incorporaron "universalidades dinámicas" que se desarrollaron primero para describir la formación de patrones similares en la expansión cosmológica del universo mismo.
"Estas ideas se han aplicado desde entonces a otros sistemas como el helio líquido y los cristales líquidos", dijo Venugopalan. "Yin se dio cuenta de que los mecanismos específicos de universalidad dinámica identificados en la cosmología y los sistemas de materia condensada pueden aplicarse a la búsqueda del punto crítico".en colisiones de iones pesados. Este artículo es la primera demostración explícita de esta conjetura ".
Específicamente, el documento predice exactamente qué patrones buscar en los datos, patrones en cómo se correlacionan las propiedades de las partículas emitidas por las colisiones, a medida que cambia la energía de las colisiones.
"Si la colaboración STAR mira los datos de una manera particular y ve estos patrones, pueden afirmar sin ambigüedad que han visto un punto crítico", dijo Venugopalan.
The Beam Energy Scan Theory La colaboración y la investigación en RHIC son respaldadas por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Original escrito por Karen McNulty Walsh. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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