miércoles, 31 de marzo de 2010

Tomando la temperatura de la materia extrema

Investigadores del Colisionador de Iones Pesados Relativísticos (RHIC) han medido la temperatura de la materia densa caliente creada en una colisión nuclear.

Figura 1: El diagrama de fase de QCD (Cromodinámica Cuántica) con una posible línea crítica: Una transición de fase de primer orden terminando en un extremo crítico. La región de temperatura deducida por la colaboración PHENIX aparece en azul. Ilustración: Carin Cain.

El estudio de la materia densa y caliente define una vasta área de la ciencia que actualmente genera y disfruta de una enorme actividad teórica y experimental en muchos campos. Esta paleta de las investigaciones científicas comprende varias disciplinas en física; dos buenos ejemplos son la física de materia condensada y la física de plasmas. A medida que subimos en la escala de energía, nos encontramos con la física nuclear y de partículas, la astrofísica y la cosmología. En el extremo superior de esta escala, la física de la materia en condiciones extremas de temperatura y densidad implica la teoría de la interacción fuerte -la cromodinámica cuántica (QCD)- y busca responder a preguntas como las siguientes [1]: ¿Qué sucede en lo profundo del interior de una estrella de neutrones? ¿Qué es el diagrama de fase de la materia regulada por la QCD? Como se informó en la revista Physical Review Letters [2] y la revista Physical Review C [3], los investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, nos han llevado ahora cerca de este objetivo mediante la medición de una propiedad fundamental: la temperatura de la materia extremadamente caliente.

El Colisionador de Iones Pesados Relativísticos (RHIC, en inglés Relativistic Heavy Ion Collider), actualmente terminando su primera década de funcionamiento en el Laboratorio Nacional Brookhaven, es un complejo acelerador dedicado al estudio de las múltiples facetas de la QCD. Tiene un programa de investigación que aspira a entender cuantitativamente las contribuciones individuales de los bloques de construcción del protón (quarks y gluones) a su espín, y un programa de iones pesados. En el segundo caso, grandes núcleos de oro son acelerados a una velocidad muy cercana a la de la luz, y colisionados para crear un volumen de materia hadrónica densa y caliente, más grande y más energético que los nucleones que forman los núcleos atómicos. Uno de los objetivos del RHIC es el estudio en la mayor parte de muchos cuerpos, del comportamiento de la QCD y aclarar su diagrama de fase (Fig. 1). En este contexto, las implementaciones numéricas de QCD en una retícula espacio-tiempo han predicho una transición de los fenómenos físicos asociados con la "materia hadrónica" ordinaria (nucleones, piones, etc) hacia los quarks, antiquark y gluones constituyentes. También se espera que este cambio debería ocurrir cuando la temperatura se aproxima y excede Tc ~ 170 MeV (recordar que aquí se utiliza la relación entre energía y temperatura: 1 MeV ≈ 1010K).

En su objetivo de formar y caracterizar esta nueva e insólita forma de la materia, a menudo llamada "plasma de quarks y gluones", RHIC ha descubierto una gran cantidad de nuevos fenómenos que de forma inequívoca señalan una excitante nueva física. Por ejemplo, los espectros del impulso transversal de las moderadas partículas "soft" (de baja energía), emitidas por las colisiones nucleares en el RHIC, junto con su anisotropía azimutal, son muy coherentes con las simulaciones basadas en la hidrodinámica relativista ideal (es decir, cuando la viscosidad es esencialmente cero) [4]. Para valores superiores de los impulsos transversales, las expectativas iniciales de que la dinámica sería compatible con las predicciones de la QCD perturbativa (pQCD) demostraron ser incorrectas. En los valores de energía similares a los que se accede por el RHIC, la versión perturbativa de la cromodinámica cuántica (pQCD) se comprueba que trabaja bien en los estudios de las colisiones nucleón-nucleón. La definición de una variable experimental para hadrones moderados que es la unidad, si las colisiones nucleares son simplemente una superposición de colisiones protón-protón, RAA=(dNAA/dpT)/[Ncoll(dNpp/dpT)] (donde Ncoll es el número de colisiones en binario; Npp impulsos normales en colisión protón-protón), RHIC ha mostrado muy convincentemente que RAA sigue siendo baja hasta valores altos del impulso transversal pT. Esto sugiere muy fuertemente que jets enérgeticos de QCD son apagados por la fuerte interacción del medio y que se fragmentan en los hadrones moderados con menos de energía [5]. Estos y otros descubrimientos de peso realizados por RHIC han traído esperanzas y expectativas iniciales en un enfoque más preciso: Algunas estimaciones iniciales predijeron que el QGP (Plasma Quark Gluon) se comporta como un gas que interactúa débilmente. Ahora aparece en lugar de ser fuertemente acoplados -un "sQGP" (Plasma Quark Gluon fuertemente acoplado)-, es decir, es más como un "líquido" que como un gas.

RHIC se mueve ahora en una apasionante fase de caracterización, y cuantificará málejos las propiedades de la sQGP. En esta tarea, el uso de sondas de penetración es de un valor incalculable. La radiación electromagnética juega un papel especial aquí: ya que el camino libre medio de los fotones es mucho más grande que la típica escala nuclear, los fotones salen indemnes de la zona de interacción y vuelan a los detectores. Esta ventaja, sin embargo, también tiene sus inconvenientes: la pequeñez de la constante de acoplamiento electromagnético, αEM = 1/137, que establece el tamaño de la señal, complica la tarea de extraer información. Además, los fotones (reales y virtuales) son emitidos a través de la historia de la interacción nuclear y el modelado teórico de la evolución de todo el espacio-tiempo es entonces necesario para interpretar las mediciones.

La colaboración PHENIX ha llevado a cabo una medición de los fotones "directos" emitidos en colisiones nucleares relativistas de núcleos de oro en el RHIC, a una energía de colisión (en el centro de masas) de √sNN=200 GeV [2] (raiz cuadrada en el primer miembro). Los fotones directos son los que no están relacionados con el decaimiento de las partículas hadrónicas; ellos son así una clara prueba de la fuerte interacción térmica del medio. PHENIX observa un gran exceso de fotones directos en las colisiones Au-Au, por encima de lo esperado en los resultados p-p (protón-protón) debidamente ampliados. Esta medida representa un gran avance en varios frentes. En primer lugar, se aprovecha de una técnica experimental inteligente que consiste en la extrapolación de los resultados de las mediciones de fotón virtual (con la participación de pares de leptones de carga opuesta) a la masa invariante del par leptón cero [6], e interpretándolos como mediciones de los fotones reales [3]. Esta técnica ha sido verificada por la coherencia en las colisiones protón-protón. En segundo lugar, mediante el ajuste de los fotones núcleo-núcleo a una fuente térmica, la colaboración PHENIX es capaz de obtener una temperatura.

Esta temperatura es la temperatura "efectiva", debido al menos a dos razones: (1) Los fotones son emitidos en todo el proceso de colisión, a medida que la temperatura evoluciona. Fases diferentes a diferentes valores de la temperatura contribuirán entonces a lo que se mide de impulso transversal (pT) bajo. (2) El medio hidrodinámico desarrolla un flujo de salida [7], que puede afectar a los espectros de impulso transversal y por lo tanto hará que la temperatura aparentemente cambie hacia arriba. Para las colisiones centrales Au- Au (casi de frente), la colaboración PHENIX deduce una temperatura efectiva de T = 221 ± 19 (estadística) ± 19 (sistemática) MeV. La "verdadera" temperatura inicial, Tinit, se obtiene entonces al basarse en modelos teóricos. Como pueden diferir en detalles, este resultado de PHENIX lleva a una incertidumbre que puede atribuirse a la teoría. Modelos con 300 MeV≤Tinit ≤ 600 MeV se encuentran en aparente acuerdo con los datos de PHENIX [2, 3]. Tengamos en cuenta que incluso el límite inferior excede con creces el valor de Tc deducido del reticulado QCD.

Es justo escribir que esta determinación de la temperatura representa un hito concreto y definitivo, si se confirma, en la cuantificación de la sQGP y en la determinación de sus propiedades exactas. También constituye una invitación a los teóricos para perfeccionar sus propias simulaciones, que se aplicarán a otros resultados interesantes aún por venir de RHIC y del programa de iones pesados que comenzará en el LHC. RHIC está ahora avanzando en las mediciones cuantitativas precisas de algunas de las magnitudes físicas más básicas necesarias para entender la materia en la parte superior de la escala de temperatura.

Referencias

1. Joseph I. Kapusta and Charles Gale, Finite-Temperature Field Theory: Principles and Applications (Cambridge University Press, Cambridge, 2006)[Amazon][WorldCat].
2. A. Adare A. et al. (PHENIX Collaboration), Phys.. Rev. Lett. 104, 132301 (2010).
3. A. Adare A. et al. (PHENIX Collaboration), Phys.. Rev. C 81, 034911 (2010).
4. M. y L. Gyulassy McLerran, Nucl. Phys.. A 750, 30 (2005).
5. Adcox K. et al., Phys.. Rev. Lett. 88, 022301 (2002).
6. La masa invariante M se define como M = √ (E ² - p ²), donde E y p son la energía total y el impulso respectivamente de la serie de partículas que están siendo consideradas. Si el conjunto contiene sólo una partícula, es la masa en reposo.
SA Voloshin, AM Poskanzer, y R. Snellings, arXiv: 0809.2949 (NUCL-ex).

Un punto de vista sobre:

Enhanced Production of Direct Photons in Au+Au Collisions at sqrt[sNN] =200 GeV and Implications for the Initial Temperature
A. Adare et al. (PHENIX Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 104, 132301 (2010) – Publicado Marzo 29, 2010
Descargar PDF (gratis)

Detailed measurement of the e+e- pair continuum in p+p and Au+Au collisions at sqrt[sNN] =200 GeV and implications for direct photon production
A. Adare et al. (PHENIX Collaboration)
Phys. Rev. C 81, 034911 (2010) – Publicado Marzo 29, 2010
Descargar PDF (gratis)

Sobre el Autor

Charles Gale
Charles Gale es Profesor James McGill y Presidente del Departamento de Física de la Universidad McGill. Su investigación se extiende a ambos lados nuclear y la física de partículas y se centra principalmente en la física de la interacción fuerte de la materia densa y caliente. Ha sido elegido miembro de la American Physical Society, y miembro de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia.




Más información:
RHIC
PHENIX
QCD
¿Cómo obtiene el protón su giro?

Fuente:
Taking the temperature of extreme matter (Physics)

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