Se observa la vorticidad del plasma quark-gluón

Dibujo20170803 Measuring the rotation of the quark-gluon plasma nature 548034a-f1

El plasma quark-gluón se produce en las colisiones de iones pesados Au+Au en el RHIC (BNL, New York) y Pb+Pb en el LHC (CERN, Ginebra). Rara vez las colisiones son frontales, por lo que el plasma rota. La Colaboración STAR del RHIC ha medido por primera vez la velocidad de rotación del plasma quark-gluón. Rota a unas 1022 revoluciones por segundo (en concreto, su vorticidad es ω ≈ (9±1) × 1021 s−1). Se ha medido gracias al estudio de la polarización de los hiperones Λ (bariones con un quark extraño) producidos en la colisión.

Los legos pueden imaginar al plasma dando muchísimas vueltas, pero deben tener cuidado con este resultado. El plasma quark-gluón tiene una vida media de unos 10 fm/c = 5 × 10−25 s, luego no tiene tiempo de rotar mucho; solo puede rotar 1/200 de una vuelta, o unos 2 grados. Por ello ha sido muy difícil verificar la predicción teórica de que debía rotar a gran frecuencia. Lo importante es que el nuevo resultado confirma que el plasma quark-gluón es un líquido (casi) ideal con viscosidad (casi) mínima. Un resultado publicado en 2005 por los cuatro detectores del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory (Upton, New York), confirmado en por el detector Compact Muon Solenoid (CMS) en el LHC, pero que no está libre de polémica en la actualidad.

El nuevo artículo es Colaboración STAR, “Global Λ hyperon polarization in nuclear collisions,” Nature 548: 62–65 (03 Aug 2017), doi: 10.1038/nature23004; más información divulgativa en Hannah Petersen, “Nuclear physics: The fastest-rotating fluid,” Nature 548: 34–35 (03 Aug 2017), doi: 10.1038/548034a.

Dibujo20170803 star detector and Au Au collision nature23004-f2-f3

En el RHIC se aceleran y colisionan iones de oro a una energía de 200 GeV/nucleón para estudiar el plasma quark-gluón a una temperatura equivalente a dos billones de grados (T ≈ 200 MeV/kB ≈ 2,3 × 1012 K). Hoy en día solo funcionan sus dos grandes detectores, STAR y PHENIX, que están especializados en estudiar los productos hadrónicos (STAR) y electromagnéticos (PHENIX); los dos detectores más pequeños, PHOBOS y BRAHMS, dejaron de funcionar en 2005 y 2006, resp.

Dibujo20170803 single au au collision in star with hyperon proton pion nature23004-f2

STAR observa de forma indirecta los hiperones Λ, bariones que están formados por un quark extraño y un pareja de quarks arriba y/o abajo, mediante su desintegración débil Λ → p + π, en un protón y un pión (cuya trayectoria se puede detectar); por cierto, también se observan antihiperones (tantos como hiperones). Si el plasma quark-gluón rota, entonces los hiperones dirigen su espín con preferencia en la dirección del momento angular (se polarizan); no podemos observar los hiperones, pero los protones heredan esta preferencia en su momento lineal, con lo que la reconstrucción de su trayectoria permite estimar la polarización del hiperón.

Dibujo20170803 hyperon average polarization Au Au collisions nature23004-f4

Usando un modelo hidrodinámico del plasma quark-gluón se puede estimar la vorticidad a partir de la distribución angular de los protones asociados a las colisiones con una masa invariante protón+pión picada en al masa del hiperón (1,12 GeV/c²). Lo importante del nuevo resultado, más allá del titular de que se trata del fluido en rotación más rápido que se ha observado y de confirmar una predicción teórica, es que permitirá avanzar en los modelos teóricos (muchos de ellos basados en teoría de cuerdas) que tratan de explicar las propiedades del plasma quark-gluón (y en concreto su polémica viscosidad mínima).

En resumen, un gran resultado que merece haber sido publicado en Nature, pero que tendrá que ser confirmado por CMS y quizás ALICE en los próximos años. Habrá que estar al tanto de las novedades experimentales y teóricas sobre el plasma quark-gluón que describe cómo era nuestro universo en la era quark, cuando tenía menos de unos milisegundos de edad.


4 Comentarios

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planck

Es increíble que podamos usar la teoría de cuerdas (una teoría cuya escala natural de energía está mucho más allá de cualquier acelerador posible) para realizar cálculos de ciertas magnitudes medibles en el LHC y en el RHIC (esto debería hacer reflexionar a los que, principalmente por ignorancia, reniegan irracionalmente de ella) . Gran parte del “milagro” implica de nuevo al avance más importante en Física fundamental de las últimas décadas: la dualidad AdS/CFT. A pesar de que esta dualidad necesita una CFT supersimétrica con SU(N) (N grande) y la QCD que describe el plasma quark-gluon está descrita por una teoría SU(3) sin supersimetría el acoplamiento fuerte del plasma y el hecho de que SUSY está rota a baja energía nos permite usar la dualidad. Lo más increíble es que podemos usar el dual gravitatorio (ADS) para calcular lo que no podemos calcular cuando el acoplamiento es grande en CFT. ¿Y cual es el espacio dual de una CFT a la temperatura T del plasma? La respuesta es increíble: ¡Un agujero negro con temperatura de Hawking T! ¡Conociendo ciertas características de los agujeros negros podemos calcular ciertas características del plasma! A los guionistas de ciencia ficción les bastaría con estudiar Física real sin necesidad de tener que inventar nada :-) De hecho, para calcular la viscosidad del plasma se usa un parámetro que representa ¡ la sección eficaz de absorción de un agujero negro !
Es curioso fijarse en lo que sucede, según la dualidad, al ir aumentando la temperatura de la CFT:
1º) Si T < Tc en ADS no hay agujeros negros solo un gas a temperatura T.
2º) Si T ~ Tc en ADS hay 2 agujeros negros pequeños.
3º) Si T > Tc en ADS hay un gran (máximo) agujero negro.
La temperatura crítica Tc es la temperatura de deconfinamiento que se supera en el RHIC y en el LHC asi que ¡quizás estemos creando agujeros negros en el espacio dual de 5 dimensiones! :-)
Parece que nos estamos acercando a la verdadera naturaleza de los agujeros negros, parece que su formación está descrita por una transición de fase en el espacio dual y parece que cuerdas y branas juegan un papel fundamental en su composición interna. Además los agujeros negros pueden tener la llave de la naturaleza última del espacio-tiempo ¿Se puede pedir más?

EDIT: Planck para escribir símbolos como < hay que usar el código html: & lt ;

PabloPablo

¿Podría alguien dar un enlace al cálculo de la viscosidad mínima y explicar por qué es tan polémico?

Francisco R. Villatoro

Pablo, según una conjetura basada en la dualidad AdS/CFT el cociente (viscosidad)/(densidad de entropía) = (η/s) de un líquido cuántico ideal alcanza un valor mínimo, (η/s) > (ηmin/s) = ħ/(4π kB). Pero no sabemos calcularlo para la QCD 3+1. ¿Cuál es el valor medido de forma experimental? RHIC y LHC coinciden en que η < 5 ηmin, pero no sabemos aún si el valor mínimo es cero, uno, o 2,5 por poner algo. Pides una referencia sobre los cálculos, asumo que teóricos: vía AdS/CFT https://arxiv.org/abs/hep-th/0309213 y https://arxiv.org/abs/hep-th/0405231; para un review reciente sobre modelos hidródinámicos del QGP en https://arxiv.org/abs/1707.02282.

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