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Los científicos han dado nuevas pistas para resolver un enigma cósmico: cómo el plasma de quark-gluones -el fluido perfecto de la naturaleza- evolucionó hasta convertirse en materia.
Pocas millonésimas de segundo después del Big Bang, el universo primitivo adquirió un nuevo y extraño estado: una sopa subatómica llamada plasma de quark-gluones.
Hace tan solo 15 años, un equipo internacional que incluía a investigadores del grupo de Colisiones Nucleares Relativistas (RNC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que este plasma de quarks-gluones es un fluido perfecto, en el que los quarks y los gluones, los componentes básicos de los protones y los neutrones, están tan fuertemente acoplados que fluyen casi sin fricción.
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| Un vídeo en lapso de tiempo que muestra una onda Mach supersónica mientras evoluciona en un plasma de quark-gluones en expansión. La simulación por ordenador proporciona una nueva visión de cómo se formó la materia durante el nacimiento del universo primitivo. Crédito: Berkeley Lab |
Los científicos postularon que chorros de partículas altamente energéticas vuelan a través del plasma de quarks y gluones -una gota del tamaño del núcleo de un átomo- a velocidades superiores a la del sonido, y que, como un chorro que vuela a gran velocidad, emiten un estampido supersónico llamado onda Mach. Para estudiar las propiedades de estas partículas de chorro, en 2014 un equipo dirigido por científicos del Laboratorio de Berkeley fue pionero en una técnica de imagen de rayos X atómica llamada tomografía de chorro. Los resultados de esos estudios seminales revelaron que estos chorros se dispersan y pierden energía a medida que se propagan por el plasma de quark-gluones.
Pero, ¿dónde comienza el viaje de las partículas del chorro dentro del plasma de quark-gluones? Los científicos predijeron que una señal de onda Mach más pequeña, llamada estela de difusión, indicaría dónde buscar. Pero mientras que la pérdida de energía era fácil de observar, la onda Mach y la estela de difusión que la acompaña seguían siendo esquivas.
Ahora, en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, los científicos del Laboratorio de Berkeley informan de nuevos resultados obtenidos a partir de simulaciones de modelos que demuestran que otra técnica inventada por ellos, denominada tomografía de chorro 2D, puede ayudar a los investigadores a localizar la señal fantasmal de la estela de difusión.
"Su señal es tan diminuta que es como buscar una aguja en un pajar de 10.000 partículas. Por primera vez, nuestras simulaciones demuestran que se puede utilizar la tomografía de chorro 2D para captar las diminutas señales de la estela de difusión en el plasma de quark-gluón", afirma el líder del estudio, Xin-Nian Wang, científico principal de la División de Ciencias Nucleares del Laboratorio de Berkeley que formó parte del equipo internacional que inventó la técnica de tomografía de chorro 2D.
Para encontrar esa aguja supersónica en el pajar de los quark-gluones, el equipo del Laboratorio de Berkeley examinó cientos de miles de colisiones de núcleos de plomo simuladas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y de núcleos de oro en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Algunas de las simulaciones por ordenador para el estudio actual se realizaron en la instalación de usuarios de superordenadores NERSC del Laboratorio de Berkeley.
Wang dice que su enfoque único "le ayudará a deshacerse de todo este heno en su pila - le ayudará a centrarse en esta aguja". La señal supersónica de las partículas del chorro tiene una forma única que se parece a un cono, con una estela de difusión detrás, como las ondas de agua en la estela de un barco que se mueve rápidamente. Los científicos han buscado pruebas de esta "estela" supersónica porque indica que hay un agotamiento de partículas. Una vez localizada la estela de difusión en el plasma de quarks-gluones, se puede distinguir su señal de las demás partículas del fondo.
Su trabajo también ayudará a los experimentadores del LHC y del RHIC a comprender qué señales deben buscar en su búsqueda para entender cómo el plasma de quark-gluones -el fluido perfecto de la naturaleza- evolucionó hasta convertirse en materia. "¿De qué estamos hechos? ¿Qué aspecto tenía el universo naciente en los pocos microsegundos posteriores al Big Bang? Esto es todavía un trabajo en curso, pero nuestras simulaciones de la estela de difusión que tanto se ha buscado nos acercan a responder a estas preguntas", dijo.
Fuentes, créditos y referencias:
“Search for the Elusive Jet-Induced Diffusion Wake in Z/γ-Jets with 2D
Jet Tomography in High-Energy Heavy-Ion Collisions” by Wei Chen, Zhong
Yang, Yayun He, Weiyao Ke, Long-Gang Pang and Xin-Nian Wang, 17 August
2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082301