Inmediatamente después de probar una predicción de 87 años de que la materia se puede generar directamente a partir de la luz, los físicos de la Universidad de Rice y sus colegas han detallado cómo ese proceso puede afectar los estudios futuros del plasma primordial y la física más allá del Modelo Estándar.
"Básicamente estamos viendo colisiones de luz", dijo Wei Li, profesor asociado de física y astronomía en Rice y coautor del estudio publicado en Cartas de revisión física .
"Sabemos por Einstein que la energía se puede convertir en masa", dijo Li, un físico de partículas que colabora con cientos de colegas en experimentos con aceleradores de partículas de alta energía como el Gran Colisionador de Hadrones LHC de la Organización Europea para la Investigación Nuclear yColisionador de iones pesados relativista del Laboratorio Nacional Brookhaven RHIC.
Los aceleradores como RHIC y LHC convierten la energía en materia de forma rutinaria al acelerar pedazos de átomos cerca de la velocidad de la luz y chocarlos entre sí. El descubrimiento de 2012 de la partícula de Higgs en el LHC es un ejemplo notable. En ese momento, el Higgsfue la última partícula no observada en el Modelo Estándar, una teoría que describe las fuerzas fundamentales y los bloques de construcción de los átomos.
Por impresionante que sea, los físicos saben que el Modelo Estándar explica solo alrededor del 4% de la materia y la energía en el universo. Li dijo que el estudio de esta semana, que fue escrito por el investigador postdoctoral de Rice, Shuai Yang, tiene implicaciones para la búsqueda defísica más allá del modelo estándar.
"Hay artículos que predicen que se pueden crear nuevas partículas a partir de estas colisiones de iones, que tenemos una densidad de fotones tan alta en estas colisiones que estas interacciones fotón-fotón pueden crear nueva física más allá del Modelo Estándar", dijo Li.
Yang dijo: "Para buscar nueva física, uno debe comprender los procesos del Modelo Estándar con mucha precisión. El efecto que hemos visto aquí no se ha considerado anteriormente cuando la gente sugirió usar interacciones fotón-fotón para buscar nueva física. Yes extremadamente importante tener eso en cuenta ".
El efecto que Yang y sus colegas detallaron ocurre cuando los físicos aceleran haces opuestos de iones pesados en direcciones opuestas y apuntan los haces entre sí. Los iones son núcleos de elementos masivos como oro o plomo, y los aceleradores de iones son particularmente útiles para estudiar los fuertesfuerza, que une los bloques de construcción fundamentales llamados quarks en los neutrones y protones de los núcleos atómicos. Los físicos han utilizado colisiones de iones pesados para superar esas interacciones y observar tanto los quarks como los gluones, las partículas que intercambian los quarks cuando interactúan a través de la fuerza fuerte.
Pero los núcleos no son las únicas cosas que chocan en los aceleradores de iones pesados. Los haces de iones también producen campos eléctricos y magnéticos que envuelven cada núcleo en el haz con su propia nube de luz. Estas nubes se mueven con los núcleos y cuando las nubes delos rayos opuestos se encuentran, las partículas individuales de luz llamadas fotones pueden encontrarse de frente.
En un estudio de PRL publicado en julio, Yang y sus colegas utilizaron datos de RHIC para mostrar que las colisiones fotón-fotón producen materia a partir de energía pura. En los experimentos, los aplastamientos de luz ocurrieron junto con colisiones de núcleos que crearon una sopa primordial llamada quark-gluónplasma, o QGP.
"En RHIC, puedes hacer que la colisión fotón-fotón cree su masa al mismo tiempo que se forma el plasma de quark-gluón", dijo Yang. "Entonces, estás creando esta nueva masa dentro del plasma de quark-gluón. "
El trabajo de tesis de doctorado de Yang sobre los datos RHIC publicados en PRL en 2018 sugirió que las colisiones de fotones podrían estar afectando al plasma de una manera leve pero mensurable. Li dijo que esto era intrigante y sorprendente, porque las colisiones de fotones son un fenómeno electromagnético, y los plasmas de quarks-gluones están dominados por la fuerza fuerte, que es mucho más poderosa que la fuerza electromagnética.
"Para interactuar fuertemente con el plasma de quark-gluón, tener solo carga eléctrica no es suficiente", dijo Li. "No se espera que interactúe muy fuertemente con el plasma de quark-gluón".
Dijo que se ofrecieron una variedad de teorías para explicar los hallazgos inesperados de Yang.
"Una explicación propuesta es que la interacción fotón-fotón se verá diferente no debido al plasma de quark-gluón, sino porque los dos iones simplemente se acercan entre sí", dijo Li. "Está relacionado con los efectos cuánticos y cómo los fotonesInteractuar el uno con el otro."
Si los efectos cuánticos hubieran causado las anomalías, supuso Yang, podrían crear patrones de interferencia detectables cuando los iones se perdieran por poco pero los fotones de sus respectivas nubes de luz colisionaran.
"Entonces los dos iones, no chocan entre sí directamente", dijo Yang. "En realidad pasan. Se llama colisión ultraperiférica, porque los fotones chocan pero los iones no chocan entre sí".
La teoría sugirió que los patrones de interferencia cuántica de las colisiones de fotón-fotón ultraperiféricos deberían variar en proporción directa a la distancia entre los iones que pasan. Usando datos del experimento Compact Muon Solenoid CMS del LHC, Yang, Li y sus colegas encontraron que podían determinar esta distancia, o parámetro de impacto, midiendo algo completamente diferente.
"Los dos iones, a medida que se acercan, hay una mayor probabilidad de que el ión se excite y comience a emitir neutrones, que van directamente por la línea del haz", dijo Li. "Tenemos un detector para esto en CMS".
Cada colisión fotón-fotón ultraperiférica produce un par de partículas llamadas muones que normalmente vuelan desde la colisión en direcciones opuestas. Como predijo la teoría, Yang, Li y sus colegas encontraron que la interferencia cuántica distorsionaba el ángulo de salida de los muones.la distancia entre los iones casi perdidos, mayor es la distorsión.
Li dijo que el efecto surge del movimiento de los fotones en colisión. Aunque cada uno se mueve en la dirección del haz con su ión anfitrión, los fotones también pueden alejarse de sus anfitriones.
"Los fotones también tienen movimiento en la dirección perpendicular", dijo. "Y resulta, exactamente, que ese movimiento perpendicular se vuelve más fuerte a medida que el parámetro de impacto se hace cada vez más pequeño.
"Esto hace que parezca que algo está modificando los muones", dijo Li. "Parece que uno va en un ángulo diferente al otro, pero en realidad no lo es. Es un artefacto de la forma en que el movimiento del fotón estaba cambiando, perpendiculara la dirección del haz, antes de la colisión que produjo los muones ".
Yang dijo que el estudio explica la mayoría de las anomalías que identificó anteriormente. Mientras tanto, el estudio estableció una nueva herramienta experimental para controlar el parámetro de impacto de las interacciones de fotones que tendrán impactos de largo alcance.
"Podemos decir cómodamente que la mayoría provino de este efecto QED", dijo. "Pero eso no descarta que todavía haya efectos relacionados con el plasma de quark-gluón. Este trabajo nos da una línea de base muy precisa, pero necesitamos datos más precisos. Todavía tenemos al menos 15 años para recopilar datos de QGP en CMS, y la precisión de los datos será cada vez mayor ".
LHC y CMS cuentan con el apoyo de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, el Departamento de Energía, la National Science Foundation y agencias de financiación científica en Austria, Bélgica, Brasil, Bulgaria, China, Colombia, Croacia, Chipre, Ecuador, Estonia, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, India, Irán, Irlanda, Italia, Corea del Sur, Letonia, Lituania, Malasia, México, Montenegro, Nueva Zelanda, Pakistán, Polonia, Portugal, Rusia, Serbia, España, Sri Lanka, Suiza,Taiwán, Tailandia, Turquía, Ucrania y Reino Unido.
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