Los físicos reportan nueva evidencia de que la producción de un estado exótico de la materia en las colisiones de núcleos de oro en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC, por sus siglas en inglés), un destructor de átomos en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. off » reduciendo la energía de colisión. La señal de « apagado » aparece como un cambio de signo, de negativo a positivo, en los datos que describen las características de « orden superior » de la distribución de protones producidos en estas colisiones.

Los hallazgos, recién publicados por STAR Collaboration de RHIC en Physical Review Letters, ayudarán a los físicos a mapear las condiciones de temperatura y densidad bajo las cuales la materia exótica, conocida como plasma de quarks-gluones (QGP), puede existir e identificar características clave de la fases de la materia nuclear.

Quarks y gluones « liberadores »

Generar y estudiar QGP ha sido un objetivo central de la investigación en RHIC. Desde que el colisionador comenzó a operar en 2000, una amplia gama de mediciones ha demostrado que los choques más energéticos de núcleos atómicos, a 200 mil millones de electronvoltios (GeV), « derriten » los límites de protones y neutrones para liberarlos, por un instante fugaz, los quarks y gluones que componen las partículas nucleares ordinarias. Varias mediciones han demostrado que el QGP existe hasta 19,6 GeV. El nuevo análisis utilizó los datos recopilados por el detector STAR de RHIC durante la primera fase del RHIC Beam Energy Scan para buscar sistemáticamente la energía a la que se apaga la producción de este estado termalizado de quarks y gluones.

« Analizamos 10 energías de colisión, desde un centro de energía de masa de 200 GeV, que es la energía de colisión más alta de RHIC entre dos rayos de oro, hasta 3 GeV, donde un rayo de oro choca con un objetivo de oro estacionario », dijo Ashish Pandav, estudiante del Instituto Nacional de Educación e Investigación Científicas de la India (NISER), ahora destinado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE. « Estos datos nos brindan la cobertura más amplia hasta la fecha del diagrama de fase nuclear : el mapa de cómo cambia la materia nuclear con la temperatura y la densidad ».

Para determinar si se creó un QGP en cada energía de colisión, los científicos observaron la distribución de protones producidos en cada evento de colisión.

Análisis sistemático

« Medimos, evento por evento, la cantidad de protones menos la cantidad de antiprotones producidos y la distribución de esa producción neta de protones », dijo Bedangadas Mohanty, profesor de física en NISER. Mohanty y el equipo de STAR analizaron datos sobre una variedad de características de la distribución, incluido el valor medio, la varianza, la asimetría de los datos, etc. hasta lo que se conoce como características de quinto y sexto orden. Luego compararon sus observaciones con las predicciones calculadas utilizando las ecuaciones de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe las interacciones de los quarks y los gluones, simuladas en una red discreta de espacio-tiempo.

« Estas simulaciones numéricas de QCD tienen incorporada la formación de un plasma de quark-gluón termalizado, por lo que si los datos coinciden con las predicciones, es evidencia de que QGP está presente », dijo Mohanty.

orden jerárquico

Los cálculos de QCD predicen un orden jerárquico de las características de distribución de protones netos, y que ciertas relaciones entre estas características deberían tener valores negativos. Los datos de STAR indican que estos patrones termodinámicos generalmente persisten en todo menos en la energía de colisión más baja.

« Sabemos a 200 GeV que las colisiones RHIC crean un QGP, pero ¿qué pasa con la siguiente energía, 62,4 GeV, 54,4 GeV, 39, 27, 19,6? » dijo Nu Xu, físico de LBNL y ex portavoz de STAR. « En todas estas energías, encontramos la jerarquía predicha y los valores negativos, lo que significa que los datos en estas energías son consistentes con un QGP termalizado ».

Por debajo de 19,6 GeV, los datos continuaron coincidiendo con las predicciones, aunque las barras de error que indicaban el rango de incertidumbre sobre esas mediciones eran grandes.

« Para estas energías, necesitamos más datos », dijo Xu.

Pero a la energía más baja, 3 GeV, los científicos vieron un cambio dramático. El orden de la jerarquía entre las características analizadas cambió, al igual que el signo de las relaciones clave, de negativo a positivo.

« Este cambio de signo es una indicación sólida, respaldada por cálculos de primeros principios, de que la formación de un plasma de quarks-gluones se apaga en la energía de colisión más baja de RHIC », dijo Xu.

Certeza en las matemáticas

La certeza de los científicos está impulsada por el hecho de que las comparaciones que utilizaron provienen de descripciones matemáticas puras del QGP, en lugar de modelos basados ​​en aproximaciones de las interacciones quark-gluon. Comparan este enfoque de « primeros principios » para resolver las ecuaciones más simples de la física clásica, como la ley de Newton (fuerza = masa x aceleración) o comprender el impacto de la velocidad en la distancia que puede viajar (velocidad x tiempo = distancia).

« En este caso, está resolviendo las interacciones de quarks y gluones, usando QCD, que tiene ecuaciones mucho más complicadas », dijo Mohanty.

Ese trabajo requirió computadoras poderosas, incluso en RHIC y ATLAS Computing Facility (RACF) en Brookhaven Lab, el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en LBNL y el consorcio Open Science Grid.

« Estos recursos informáticos y la red QCD, un enfoque para resolver las ecuaciones que considera las interacciones entre quarks y gluones en la red de espacio-tiempo 4D, han permitido grandes avances en nuestra capacidad para hacer predicciones precisas sobre el comportamiento de características de orden superior de carga conservada. distribuciones en QCD », dijo Frithjof Karsch, ex teórico del Brookhaven Lab ahora en la Universidad de Bielefeld en Alemania, quien fue coautor de un artículo sobre las predicciones de QCD. « Es emocionante ver estas predicciones de los cálculos de los primeros principios confirmadas por los datos experimentales en RHIC ».

Los científicos esperan fortalecer aún más su confianza en sus hallazgos y su búsqueda de un punto de desvío de QGP mediante el análisis de datos del Beam Energy Scan II (BES II) de RHIC. Ese tesoro de datos reducirá la incertidumbre de todos los resultados, especialmente para las energías por debajo de 19,6 GeV.

« Desde un sistema termalizado, vemos un patrón suave desde 200 GeV a 62 GeV hasta 19,6. Luego vemos algo ‘irregular’ entre 20 y 3 GeV », dijo Xu.

Un análisis anterior de las fluctuaciones en la producción neta de protones sugirió que los baches podrían ser una indicación de una combinación particular de temperatura y presión en la que cambia la forma en que se forma el QGP a partir de la materia nuclear ordinaria. Estos resultados y la adición de datos de BES II ayudarán a reducir la búsqueda de ese llamado punto crítico.

« Todo está relacionado », dijo Xu.

Este estudio fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una amplia gama de agencias de financiación internacionales enumeradas en el documento. Las operaciones de RHIC están financiadas por la Oficina de Ciencias del DOE. RHIC y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.