Los científicos que utilizan el colisionador de iones pesados ​​relativistas (RHIC) para estudiar parte de la materia más caliente jamás creada en un laboratorio han publicado sus primeros datos que muestran cómo tres variaciones distintas de partículas llamadas upsilons se « derriten » o se disocian secuencialmente en la sustancia viscosa caliente. Los resultados, recién publicados en Physical Review Letters, provienen del detector STAR de RHIC, uno de los dos grandes experimentos de seguimiento de partículas en esta instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. para la investigación de física nuclear.

Los datos sobre upsilons agregan evidencia adicional de que los quarks y gluones que componen la materia caliente, que se conoce como plasma de quark-gluon (QGP), están « desconfinados » o libres de su existencia ordinaria encerrados dentro de otras partículas como como protones y neutrones. Los hallazgos ayudarán a los científicos a conocer las propiedades del QGP, incluida su temperatura.

« Al medir el nivel de supresión o disociación de upsilon, podemos inferir las propiedades del QGP », dijo Rongrong Ma, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, donde se encuentra RHIC, y Coordinador de Análisis de Física para la colaboración STAR. « No podemos decir exactamente cuál es la temperatura promedio del QGP basándonos únicamente en esta medida, pero esta medida es una parte importante de un panorama más amplio. Pondremos esta y otras medidas juntas para obtener una comprensión más clara de esta forma única. de importancia. »

Liberando quarks y gluones

Los científicos utilizan RHIC, un « destructor de átomos » de 2,4 millas de circunferencia, para crear y estudiar QGP acelerando y colisionando dos haces de iones de oro (núcleos atómicos despojados de sus electrones) a energías muy altas. Estos choques energéticos pueden derretir los límites de los protones y neutrones de los átomos, liberando los quarks y gluones en su interior.

Una forma de confirmar que las colisiones han creado QGP es buscar evidencia de que los quarks y gluones libres están interactuando con otras partículas. Upsilons, partículas de vida corta formadas por un par de quarks-antiquarks pesados ​​(fondo-antifondo) unidos entre sí, resultan ser partículas ideales para esta tarea.

« El upsilon es un estado muy fuertemente delimitado; es difícil de disociar », dijo Zebo Tang, colaborador de STAR de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. « Pero cuando lo pones en un QGP, tienes tantos quarks y gluones rodeando tanto al quark como al antiquark, que todas esas interacciones circundantes compiten con la propia interacción quark-antiquark del upsilon ».

Estas interacciones de « detección » pueden romper el upsilon, derritiéndolo de manera efectiva y suprimiendo la cantidad de upsilon que cuentan los científicos.

« Si los quarks y gluones todavía estuvieran confinados dentro de protones y neutrones individuales, no podrían participar en las interacciones competitivas que rompen los pares quark-antiquark », dijo Tang.

Ventajas de Upsilon

Los científicos han observado tal supresión de otras partículas quark-antiquark en QGP, a saber, partículas J/psi (hechas de un par encanto-antiencanto). Pero los upsilons se diferencian de las partículas J/psi, dicen los científicos de STAR, por dos razones principales: su incapacidad para reformarse en el QGP y el hecho de que vienen en tres tipos.

Antes de comenzar con la reforma, hablemos de cómo se forman estas partículas. Los quarks charm y bottom y los antiquarks se crean muy temprano en las colisiones, incluso antes del QGP. En el instante del impacto, cuando la energía cinética de los iones de oro que chocan se deposita en un espacio diminuto, desencadena la creación de muchas partículas de materia y antimateria a medida que la energía se transforma en masa a través de la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. Los quarks y antiquarks se asocian para formar upsilons y partículas J/psi, que luego pueden interactuar con el QGP recién formado.

Pero debido a que se necesita más energía para hacer partículas más pesadas, hay muchos más quarks charm y anticharm más ligeros que quarks bottom y antibottom más pesados ​​en la sopa de partículas. Eso significa que incluso después de que algunas partículas J/psi se disocian, o se « derriten », en el QGP, otras pueden continuar formándose a medida que los quarks charm y anticharm se encuentran en el plasma. Esta reforma ocurre muy raramente con upsilons debido a la relativa escasez de quarks pesados ​​de fondo y antifondo. Entonces, una vez que un upsilon se disocia, desaparece.

« Simplemente no hay suficientes quarks bottom-antibottom en el QGP para asociarse », dijo Shuai Yang, colaborador de STAR de la Universidad Normal del Sur de China. « Esto hace que los recuentos de upsilon sean muy limpios porque su supresión no se ve enturbiada por la reforma como lo pueden ser los recuentos de J/psi ».

« Si observamos que los niveles de supresión de las tres variedades son diferentes, tal vez podamos establecer un rango para la temperatura QGP », dijo Yang.

Primera medición

Estos resultados marcan la primera vez que los científicos de RHIC han podido medir la supresión de cada una de las tres variedades de upsilon.

Encontraron el patrón esperado : la menor supresión/fusión para el estado fundamental más estrechamente ligado; mayor supresión para el estado de enlace intermedio; y esencialmente no hay upsilons del estado más débilmente unido, lo que significa que todos los upsilons en este último grupo pueden haberse derretido. (Los científicos notaron que el nivel de incertidumbre en la medición de ese estado más excitado y débilmente ligado era grande).

« No medimos el upsilon directamente; se desintegra casi instantáneamente », explicó Yang. « En cambio, medimos las ‘hijas’ de descomposición ».

El equipo observó dos « canales » de descomposición. Un camino de desintegración conduce a pares de electrones y positrones, captados por el calorímetro electromagnético de STAR. El otro camino de desintegración, hacia los muones positivos y negativos, fue rastreado por el detector del telescopio de muones de STAR.

En ambos casos, la reconstrucción del momento y la masa de las hijas de decaimiento establece si el par provino de un upsilon. Y dado que los diferentes tipos de upsilones tienen masas diferentes, los científicos pudieron diferenciar los tres tipos.

« Este es el resultado más anticipado que sale del detector del telescopio de muones », dijo el físico Lijuan Ruan del Brookhaven Lab, co-portavoz de STAR y gerente del proyecto del detector del telescopio de muones. Ese componente se propuso y construyó específicamente con el propósito de rastrear upsilons, con una planificación que se remonta a 2005, la construcción comenzó en 2010 y la instalación completa a tiempo para la ejecución de RHIC de 2014, la fuente de datos, junto con 2016, para este análisis.

« Fue una medida muy desafiante », dijo Ma. « Este documento declara esencialmente el éxito del programa detector del telescopio de muones STAR. Continuaremos utilizando este componente detector durante los próximos años para recopilar más datos y reducir nuestras incertidumbres sobre estos resultados ».

La recopilación de más datos durante los próximos años de ejecución de STAR, junto con el nuevo detector de RHIC, sPHENIX, debería proporcionar una imagen más clara del QGP. sPHENIX fue construido para rastrear upsilons y otras partículas hechas de quarks pesados ​​como uno de sus principales objetivos.

« Esperamos ver cómo los nuevos datos que se recopilarán en los próximos años completarán nuestra imagen del QGP », dijo Ma.

Científicos adicionales de las siguientes instituciones hicieron contribuciones significativas a este documento : Universidad Nacional Cheng Kung, Universidad Rice, Universidad Shandong, Universidad Tsinghua, Universidad de Illinois en Chicago. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias (NP) del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una variedad de organizaciones y agencias internacionales enumeradas en el artículo científico. El equipo de STAR usó recursos informáticos en el Centro de Computación y Datos Científicos en Brookhaven Lab, el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y el consorcio Open Science Grid.