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FÍSICA

Sopa primordial

Brasileños ayudan a analizar los fenómenos aún sin explicación que operan en el líquido generado en las colisiones de partículas

054-057_Plasma_213-01Infografías Ana Paula Campos Ilustraciones Fabio OtuboEl descubrimiento más famoso del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) fue, sin duda, la detección de la partícula elemental conocida como bosón de Higgs. El descubrimiento, que se anunció el 4 de julio de 2012, le significó el Nobel de Física de este año a Peter Higgs y François Englert, dos de los físicos teóricos que propusieron su existencia en los años 1960. Pero el mentado bosón, que explicaría el origen de la masa de todas las partículas elementales, no es lo único interesante que ha surgido en las colisiones practicadas desde 2009 en el más poderoso acelerador de partículas que se haya construido, instalado en la frontera de Francia con Suiza y coordinado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern).

Mientras que el bosón de Higgs se descubrió analizando el resultado de las colisiones de un protón con otro, un sector de los físicos involucrados en los experimentos en el LHC, que incluye a investigadores de la Universidad de São Paulo (USP), de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), de la Universidad de Campinas (Unicamp) y de la Universidad Federal del ABC (UFABC), se encuentran más interesados en utilizar la energía del acelerador para lograr que núcleos atómicos de plomo, con 82 protones y 126 neutrones, colisionen unos con otros. La energía producida por esas colisiones deshace los protones y los neutrones (partículas compuestas) en sus componentes elementales, partículas indivisibles denominadas quarks y gluones.

Durante un brevísimo instante luego de la colisión, los quarks y los gluones conforman un líquido: el plasma de quarks y gluones, un estado de la materia escasamente conocido, más denso que la materia del núcleo de los átomos y unas 250 mil veces más caliente que el interior del Sol. Los físicos brasileños colaboraron con los análisis dados a conocer este año, que revelaron comportamientos completamente inesperados de dicho plasma, para los cuales aún no se ha hallado una explicación convincente.

“La energía extrema de tales colisiones recrea las mismas condiciones de la materia nuclear de los albores del Universo”, explica Jun Takahashi, físico de la Unicamp que integra el equipo del A Large Collider Experiment (Alice), el único de los detectores del LHC ‒son cuatro‒ proyectado para estudiar las colisiones de plomo. Takahashi y otros investigadores paulistas presentaron algunos resultados recientes de los experimentos en el LHC durante un workshop llevado a cabo durante el mes de agosto en la FAPESP.

Los físicos creen que hasta alrededor de 10 millonésimas de segundo después del Big Bang, la explosión que habría generado el cosmos hace 13.800 millones de años, el Universo estaba ocupado por un océano de quarks y gluones ‒algunos denominan a esa condición con el nombre de caldo o sopa primordial‒, que, al enfriarse, originó los protones y los neutrones. El hecho de que la materia del Universo actual se encuentre agrupada en estrellas y planetas, y no esparcida por el espacio como una nube uniforme de gas y polvo, se debe, al menos en parte, al resultado de las ondulaciones en ese caldo. “Se estudia el comportamiento colectivo de los quarks y de los gluones para intentar comprender cómo evolucionó el Universo”, concluye Takahashi.

Otro misterio que involucra a la interacción entre quarks y gluones radica en el origen de la masa. El bosón de Higgs sólo explica la masa de las partículas elementales, tales como los electrones, los muones y los seis tipos conocidos de quarks, además de sus correspondientes antipartículas (partículas idénticas pero con cargas eléctricas opuestas). Como los electrones son extremadamente livianos, la masa de los átomos proviene casi por completo del núcleo, formado por protones y neutrones. Esas partículas son compuestas: se forman por la unión de tríadas de quarks, unidos por la interacción nuclear fuerte, transmitida por partículas sin masa, los gluones, emitidos y absorbidos por los quarks. La suma de la masa de los quarks de un protón o de un neutrón representa sólo el 1% de su masa total. El 99% restante proviene de la energía de la interacción de sus quarks y sus gluones.

Comportamiento colectivo
Desde los años 1970 los físicos creen haber descubierto las leyes generales que describen la interacción nuclear fuerte, pero nadie entiende bien los detalles del desplazamiento colectivo de los quarks y los gluones. “Sucede igual que con el agua”, compara Takahashi. “Sabemos que está compuesta por moléculas de H2O, pero el conocer eso no nos aclara cómo el agua se transforma en vapor, como resultado del comportamiento colectivo de sus moléculas”.

En el Universo actual, los quarks y los gluones nunca se encuentran aislados. Tanto los quarks como sus antipartículas (antiquarks) siempre se unen en partículas compuestas que reciben el nombre de hadrones, y éstos pueden estar, así como los protones y los neutrones, compuestos por tríos de quarks (bariones) o por pares de quarks y antiquarks (mesones). Esto sucede porque, al contrario que el resto de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, que pierden intensidad con la distancia, la interacción nuclear fuerte crece a medida que dos quarks se alejan uno de otro. “Imaginen dos esferas unidas por un elástico”, explica el físico David Chinellato, de la Unicamp, quien también participa en el Alice. “Cuando una se aleja de la otra, la tensión en el elástico aumenta, y cuando ellas se acercan lo suficiente, la tensión desaparece y las pelotas se mueven libres”.

El objetivo de las colisiones de núcleos pesados reside en comprimir protones y neutrones hasta que sus quarks y gluones permanezcan sueltos por un instante. La energía liberada en la colisión también crea nuevos pares de quarks y antiquarks, además de otras partículas elementales. Acto seguido, la temperatura y la densidad en el punto de colisión comienzan a disminuir y los quarks se recombinan, formando miles de nuevos hadrones, cuyas trayectorias son registradas por los detectores del experimento.

054-057_Plasma_213-02Infografías Ana Paula Campos Ilustraciones Fabio OtuboEn los años 1980 y 1990, en el acelerador Super Proton Synchrotron del Cern, comenzaron a surgir indicios de que los quarks podrían liberarse de los hadrones y mesones. Pero el descubrimiento del plasma de quarks y gluones recién sucedió en 2005, cuando investigadores del Colisionador de Iones Pesados Relativistas (Rhic), en Estados Unidos, anunciaron que contaban con evidencias suficientes de que las colisiones de núcleos de oro habían generado un estado donde los quarks y gluones no se hallaban presos en el interior de hadrones, aunque tampoco estaban totalmente libres, como las moléculas de un gas ideal. Para sorpresa de todos, los quarks y los gluones parecían formar una gota de líquido capaz de fluir perfectamente, casi sin viscosidad.

En noviembre de 2010, el LHC interrumpió sus colisiones entre protones aislados y realizó durante un mes sus primeras colisiones de núcleos de plomo, con una energía alrededor de 14 veces mayor que la de las colisiones del Rhic, y otras colisiones de plomo se repitieron en noviembre de 2011 y a comienzos de este año. Algunos modelos teóricos preveían que en ese nivel de energía, quarks y gluones se comportarían como un gas, pero se observó un estado líquido similar al registrado en el Rhic. Se estima que las gotas del plasma de quarks y gluones producidas en el LHC serían dos veces mayores que las del Rhic y que su temperatura habría alcanzado los 7 billones de grados (250 mil veces la temperatura del núcleo del Sol).

Las colisiones de plomo del LHC son estudiadas por casi 1.200 científicos de 36 países que trabajan en el detector Alice. La participación brasileña en el experimento está coordinada por el físico Alejandro Szanto de Toledo, quien trabajó en el Rhic hasta 2006. Junto a sus colegas Alexandre Suaide y Marcelo Munhoz, todos de la USP, estudian hadrones constituidos por quarks del tipo charm y bottom, miles de veces más pesados que los quarks up y down, que forman los protones y los neutrones. “Lo interesante es que esos quarks necesitan mucha energía para formarse”, explica Munhoz. “Surgen ni bien ocurre la colisión y por eso pueden reflejar todo el proceso, pues tienen tiempo de interactuar con todo lo que se forma inmediatamente”.

La piedra y el pedregullo
Los investigadores suponían que los hadrones con quarks más pesados perderían menos energía al atravesar el plasma que los de quarks más livianos, del mismo modo que una roca gigante sufre menos la erosión ocasionada por la corriente de un río que el pedregullo. “Pero no fue eso lo que se observó en el Rhic ni en el LHC”, dice Munhoz. “O no entendimos bien cómo pierden energía los quarks, o no comprendimos las propiedades del plasma”.

Takahashi y Chinellato están abocados al análisis de los hadrones constituidos por quarks más livianos, que se producen en mayor profusión durante las colisiones. Chinellato coordina el trabajo de 80 investigadores que estudian hadrones que contienen el tipo de quark strange, unas 100 veces más pesado que los quarks up y down. En un artículo divulgado en julio en el repositorio electrónico ArXiv, los investigadores del Alice notaron que en cierto rango de momento (la magnitud que suministra una idea de la energía de las partículas) las colisiones de plomo tienden a producir más bariones (tríos) conteniendo quarks strange que mesones (dúos) de quarks strange, un efecto esperable según algunas teorías. Pero, inesperadamente, el Alice también detectó un efecto similar, con menor intensidad, en colisiones de núcleos de plomo contra protones, en las cuales, en principio, no debería formarse el plasma. “Existen varios mecanismos físicos posibles para explicarlo”, dice Takahashi. “Estamos tratando de entender cuál es el más adecuado”.

El equipo de otro detector del LHC, el Compact Muon Solenoid (CMS), en el cual participan 3 mil investigadores de 40 países, entre ellos el grupo coordinado por Sergio Novaes en la Unesp y en la UFABC, también está descubriendo nuevos fenómenos que involucran núcleos pesados. En la Unesp, la física Sandra Padula desarrolla y aplica técnicas para combinar trayectorias de las partículas producidas en las colisiones y, así, calcular el tamaño del sistema formado, el movimiento colectivo de las partículas y otras propiedades del medio del que provienen. Uno de los efectos detectados en colisiones entre núcleos de oro en el Rhic y entre núcleos de plomo en el LHC fue el surgimiento de una estructura que parece una cordillera (ridge), que generó varios intentos teóricos de explicación. “Una de ellas apunta que esa estructura aparece porque el plasma se asemeja a un líquido que escurre sin viscosidad”, comenta Padula. “Y que las partículas que se generan reflejarían ese comportamiento colectivo”.

El problema radica en que una versión similar de ese efecto también se observó en el CMS, en colisiones entre protones y en colisiones entre protones y núcleos de plomo, dos situaciones donde no se esperaría la formación de plasma.

Las colisiones en el LHC se encuentran suspendidas desde el mes de febrero. El acelerador fue desconectado para realizarle mejoras que aumentarán la energía de sus colisiones y la sensibilidad de su instrumental. Los experimentos se reanudarán en 2015 y se espera que para 2018 la energía duplique la actual. “Se están desarrollando simulaciones de lo que podría ocurrir en ese nivel de energía”, dice Padula, “aunque lo inesperado me resulta más interesante”.

En 2018, el LHC será nuevamente desconectado para realizarle otras mejoras. El grupo de Szanto, en colaboración con el equipo del ingeniero Wilhelmus Van Noije, de la Escuela Politécnica de la USP, participará en la construcción de componentes microelectrónicos destinados a perfeccionar la capacidad de detección del CMS.

Proyectos
1. Física nuclear de altas energías en el Rhic y en el LHC (nº 2012/04583-8); Modalidad Proyecto Temático; Coord. Alejando Szanto de Toledo IF/ USP; Inversión R$ 2.789.509,20 (FAPESP).
2. Física experimental hadrónica en el Rhic y en el LHC (nº 2012/02895-2); Modalidad Línea Regular de Ayuda al Proyecto de Investigación; Coord. Jun Takahashi – IF/ Unicamp; Inversión R$ 104.995,95 (FAPESP).
3. Centro Regional de Análisis de São Paulo: participación en los experimentos DZero y CMS (nº 2008/02799-8); Modalidad Proyecto Temático; Coord. Sergio Ferraz Novaes – IFT/ Unesp; Inversión R$ 2.026.797,78 (FAPESP).
4. Proyecto de un Asic de adquisición y procesamiento digital de señales para el Time Projection Chamber del experimento Alice (nº 2013/06885-4); Modalidad Línea Regular de Ayuda al Proyecto de Investigación; Coord. Wilhelmus Van Noije – Escuela Politécnica/ USP; Inversión R$ 858.978,38 (FAPESP)

Artículos científicos
ALICE Collaboration. Multiplicity Dependence of Pion, Kaon, Proton and Lambda Production in p-Pb Collisions at sqrt (sNN) = 5.02 TeV. eprint arXiv:1307.6796. jul. 2013.
CMS Collaboration. Multiplicity and transverse-momentum dependence of two-and four-particle correlations in p-Pb and Pb-Pb collisions. Physics Letters B. v. 724, n. 213. may. 2013.

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