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Tras demostrar una predicción de hace 87 años de que la materia puede generarse directamente a partir de la luz, los físicos de la Universidad de Rice y sus colegas han detallado cómo este proceso puede afectar a los futuros estudios del plasma primordial y a la física más allá del Modelo Estándar.
"Esencialmente, estamos observando las colisiones de la luz", dijo Wei Li, profesor asociado de física y astronomía en Rice y coautor del estudio publicado en Physical Review Letters.
"Sabemos por Einstein que la energía puede convertirse en masa", dijo Li, un físico de partículas que colabora con cientos de colegas en experimentos en aceleradores de partículas de alta energía como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear y el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Aceleradores como el RHIC y el LHC convierten habitualmente la energía en materia acelerando trozos de átomos a una velocidad cercana a la de la luz y haciéndolos chocar entre sí. El descubrimiento en 2012 de la partícula de Higgs en el LHC es un ejemplo notable. En ese momento, el Higgs era la última partícula no observada del Modelo Estándar, una teoría que describe las fuerzas fundamentales y los bloques de construcción de los átomos.
Por muy impresionante que sea, los físicos saben que el Modelo Estándar sólo explica alrededor del 4% de la materia y la energía del universo. Li dijo que el estudio de esta semana, cuyo autor principal es el investigador postdoctoral de Rice Shuai Yang, tiene implicaciones para la búsqueda de la física 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 tan alta de fotones 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, hay que entender los procesos del Modelo Estándar con mucha precisión. El efecto que hemos observado aquí no se ha tenido en cuenta anteriormente cuando la gente ha sugerido utilizar las interacciones fotón-fotón para buscar nueva física. Y es extremadamente importante tenerlo en cuenta".
El efecto que Yang y sus colegas detallan se produce cuando los físicos aceleran haces opuestos de iones pesados en direcciones opuestas y apuntan los haces el uno al otro. Los iones son núcleos de elementos masivos como el oro o el plomo, y los aceleradores de iones son especialmente útiles para estudiar la fuerza fuerte, que une los bloques de construcción fundamentales llamados quarks en los neutrones y protones de los núcleos atómicos. Los físicos han utilizado las colisiones de iones pesados para superar esas interacciones y observar tanto los quarks como los gluones, las partículas que los quarks intercambian cuando interactúan a través de la fuerza fuerte.
Pero los núcleos no son lo único que colisiona en los aceleradores de iones pesados. Los haces de iones también producen campos eléctricos y magnéticos que envuelven cada núcleo del haz con su propia nube de luz. Estas nubes se mueven con los núcleos, y cuando las nubes de haces opuestos se encuentran, las partículas individuales de luz llamadas fotones pueden encontrarse de frente.
En un estudio de la PRL publicado en julio, Yang y sus colegas utilizaron datos del RHIC para demostrar que las colisiones fotón-fotón producen materia a partir de energía pura. En los experimentos, las colisiones de luz se produjeron junto con colisiones de núcleos que crearon una sopa primordial llamada plasma de quarks y gluones, o QGP.
"En el RHIC, puedes hacer que la colisión fotón-fotón cree su masa al mismo tiempo que la formación del plasma de quark-gluón", dijo Yang. "Así, se crea esta nueva masa dentro del plasma de quark-gluones".
El trabajo de tesis doctoral de Yang sobre los datos del RHIC publicados en PRL en 2018 sugirió que las colisiones de fotones podrían estar afectando al plasma de una manera leve pero medible. Li dijo que esto era intrigante y sorprendente, porque las colisiones de fotones son un fenómeno electromagnético, y los plasmas de quark-gluones están dominados por la fuerza fuerte, que es mucho más poderosa que la fuerza electromagnética.
"Para interactuar fuertemente con el plasma de quark-gluones, sólo tener carga eléctrica no es suficiente", dijo Li. "No se espera que interactúe con mucha fuerza con el plasma de quark-gluones".
Dijo que se ofrecieron diversas teorías para explicar los inesperados hallazgos de Yang.
"Una de las explicaciones propuestas es que la interacción fotón-fotón se verá diferente no por el plasma de quark-gluón, sino porque los dos iones simplemente se acercan el uno al otro", dijo Li. "Está relacionado con los efectos cuánticos y la forma en que los fotones interactúan entre sí".
Si los efectos cuánticos hubieran causado las anomalías, conjeturó Yang, podrían crear patrones de interferencia detectables cuando los iones se acercan por poco pero los fotones de sus respectivas nubes de luz chocan.
"Así que los dos iones no se golpean directamente", dijo Yang. "En realidad pasan de largo. Se llama colisión ultraperiférica, porque los fotones chocan pero los iones no se golpean".
La teoría sugería que los patrones de interferencia cuántica de las colisiones ultraperiféricas de fotones y fotones deberían variar en proporción directa a la distancia entre los iones que pasan. Utilizando datos del experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC, Yang, Li y sus colegas descubrieron que podían determinar esta distancia, o parámetro de impacto, midiendo algo totalmente diferente.
"Los dos iones, a medida que se acercan, hay una mayor probabilidad de que el ion se excite y comience a emitir neutrones, que van directamente a la línea del haz", dijo Li. "Tenemos un detector para esto en el CMS".
Cada colisión ultraperiférica entre fotones produce un par de partículas llamadas muones que suelen salir volando de la colisión en direcciones opuestas. Como predice la teoría, Yang, Li y sus colegas descubrieron que la interferencia cuántica distorsionaba el ángulo de salida de los muones. Y cuanto más corta es la distancia entre los iones cercanos a la colisión, mayor es la distorsión.
Li dijo que el efecto surge del movimiento de los fotones que colisionan. Aunque cada uno se mueve en la dirección del haz con su ion 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 hace más fuerte a medida que el parámetro de impacto se hace más y más pequeño.
"Esto hace que parezca que algo está modificando los muones", dijo Li. "Parece que uno va en un ángulo diferente del otro, pero en realidad no es así. Es un artefacto de la forma en que el movimiento del fotón estaba cambiando, perpendicular a la dirección del haz, antes de la colisión que hizo los muones".
Yang dijo que el estudio explica la mayoría de las anomalías que había identificado previamente. Mientras tanto, el estudio estableció una novedosa herramienta experimental para controlar el parámetro de impacto de las interacciones de fotones que tendrá repercusiones de gran alcance.
"Podemos afirmar sin temor a equivocarnos que la mayor parte proviene de este efecto QED", dijo. "Pero eso no descarta que aún haya efectos relacionados con el plasma de quarks-gluones. Este trabajo nos da una línea de base muy precisa, pero necesitamos datos más precisos. Todavía tenemos al menos 15 años para recopilar datos del QGP en el CMS, y la precisión de los datos será cada vez mayor".
Fuentes, créditos y referencias:
A. M. Sirunyan et al, Observation of Forward Neutron Multiplicity Dependence of Dimuon Acoplanarity in Ultraperipheral Pb-Pb Collisions at sNN=5.02 TeV, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.122001
Imágenes: El experimento del Solenoide Compacto de Muones en el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear. Crédito: CERN