La viscosidad mínima del plasma de quarks y gluones

El plasma de quarks y gluones (QGP) es un estado de la materia nuclear ultradensa formado por quarks y gluones libres (no confinados). Se publica en Nature Physics  una estimación usando colisiones del detector ALICE del LHC del cociente entre la viscosidad y la entropía en función de la temperatura; el valor mínimo (η/s)min = 0.085 +0.026 −0.025 (al 90% CL) es compatible con la predicción holográfica η/s ≥ 1/(4π) ≈ 0.080. Gracias a la teoría de cuerdas (correspondencia AdS/CFT) se pueden calcular las propiedades hidrodinámicas del QGP en el límite de acoplamiento fuerte para una teoría SYM N=4 (Yang–Mills con 4 supersimetrías) en función del límite de acoplamiento débil de una teoría gravitacional. Las observaciones confirman que el QGP se comporta como un fluido ideal.

El QGP (también llamado plasma quark-gluón) aparece por encima de una temperatura crítica Tc = 156.5 ± 1.5 MeV (~ 2 × 1012 K, unos dos billones de kelvin); en las colisiones de iones pesados su vida media es de ~ 10−23 segundos y su tamaño de unos 10−14 metros. Sus propiedades hidrodinámicas  se observan de forma indirecta tras el análisis estadístico de las partículas producto de su desintegración en las colisiones de iones pesados (plomo contra plomo en ALICE (A Large Ion Collider Experiment) del LHC (Large Hadron Collider) con energía por nucleón en el centro de masas de 2.76 TeV y 5.02 TeV). Se considera que la predicción holográfica debería ser compartida por la cromodinámica cuántica (QCD), una teoría Yang–Mills sin supersimetría, bajo acoplamiento fuerte; por desgracia, a día de hoy no es posible obtener dicha predicción usando simulaciones por ordenador mediante QCD en el retículo (Lattice QCD). La razón es que la viscosidad mínima se alcanza cuando el recorrido libre medio de una partícula (partón) del QGP se iguala a su longitud de onda de de Broglie.

El artículo es Jonah E. Bernhard, J. Scott Moreland, Steffen A. Bass, «Bayesian estimation of the specific shear and bulk viscosity of quark–gluon plasma,» Nature Physics (12 Aug 2019), doi: 10.1038/s41567-019-0611-8; más información en Kari J. Eskola, «Nearly perfect quark–gluon fuid,» Nature Physics (12 Aug 2019), doi: 10.1038/s41567-019-0643-0.

[PS 28 ago 2019] Sobre el estado actual de la aplicación de la correspondencia AdS/CFT a la descripción hidrodinámica efectiva del plasma quark-gluón recomiendo S. Heshmatian, R. Morad, «Jet suppression in non-conformal plasma using AdS/CFT,» Journal of High Energy Physics 2019:45 (08 Mar 2019), doi: 10.1007/JHEP03(2019)045arXiv:1812.09374 [hep-th] (21 Dec 2018). [/PS]

Además del cociente (η/s)(T) para la viscosidad (bulk viscosity) también se ha determinado el cociente (ζ/s)(T) para el cizalla específica (specific shear). El nuevo resultado reduce la incertidumbre respecto a estimaciones previas para la viscosidad mínima, aunque sigue siendo alta (~ 30%). Su diferencia respecto a un valor nulo es de unas tres sigmas, siendo lo más llamativo su coincidencia con la predicción holográfica.

Se ha usado un modelo bayesiano para la estimación de parámetros del modelo teórico que se ha ajustado a los datos experimentales; es decir, los resultados cinemáticos estadísticos para los productos de desintegración del QGP. El modelo teórico se ha calibrado con los resultados de las colisiones Pb-Pb de ALICE con energías por nucleón en el centro de masas de 2.76 TeV y 5.02 TeV.

Lo más relevante de este trabajo es que nos recuerda que la supersimetría es una herramienta muy útil para realizar ciertos cálculos. La predicción teórica en QCD raya lo imposible, pero gracias a la supersimetría se puede realizar en el marco de la conjetura AdS/CFT. Por supuesto, queda mucho trabajo de análisis de colisiones en grandes colisionadores para reducir la incertidumbre experimental hasta un nivel confirmatorio (pongamos, cinco sigmas de confianza estadística). No creo que se logre hasta que haya futuros colisionadores a mayor luminosidad.



7 Comentarios

  1. Hola,

    la conjetura AdS/CFT es una conjetura, perdonadme la tautología. El tratamiento del QGP como un fluido casi no viscoso donde se alcanza la cota holográfica, con este tipo de dualidades inspiradas en string theory, responde más a un trending científico y a intereses cruzados entre ciertas subdisciplinas y el marketing que a ciencia básica. Es más, sobre el tratamiento del QGP con hidrodinámica creo que es justo decir que se trata de una teoría efectiva y ajustada a posteriori a las observaciones, y está actualmente en entredicho su aplicación (o quizás mejor dicho, se está revisando) a la reciente “observación” de fenómenos colectivos en sistemas pequeños, donde teorías cinéticas desde primeros principios de QFT, más generales que la hidrodinámica, explican los mismos comportamientos observados. Al margen de que este artículo haya sido publicado en Nature, las afirmaciones que se hacen en él y en esta entrada del blog, que me encanta, se deban tomar con algo más de cautela.

  2. Fernando:

    La correspondencia de Maldacena no es una «conjetura», al menos no al nivel de rigor de la física. El artículo original de Maldacena es prácticamente una derivación, ha sido verificada en cientos de casos altamente no triviales y probada a totalidad en varios subsectores. No hay razones (salvo la cortesía de la duda científica) para dudar de su validez.

    Y no, te equivocas completamente; el motivo de la entrada no es «marketing». Es totalmente cierto que la dualidad no es directamente una explicación pues QCD no es la teoría de la correspondencia. Sin embargo; espero entiendas el valor de tener un modelo integrable donde puedes hacer gran variedad de cálculos con sólo un papel, lápiz y un cómputo clásico (léase: sin decenas de superordenadores) de un sistema cuántico complicadísimo (donde falla la predicción estándar) y obtener un resultado que está en buen acuerdo con la naturaleza. Esto es ciencia de gran interés.

    Si revisas de nuevo esta entrada (y los artículos relevantes) encontrarás que nadie afirma que esto sea «la explicación definitiva de lo que pasa con el QGP en la naturaleza» nadie dijo eso. Ambos mencionan que lo más importante es establecer a la supersimetría como una buena herramienta para hacer cálculos en acoplo fuerte. Nada más.

  3. Buenas, disculpen si lo que pregunto es una burrada, pero la buena correlación entre las mediciones experimentales y los cálculos usando la conjetura AdS/CFT puede llevar a que le den el Nobel a Maldacena? o no califica como verificación experimental? Gracias

  4. Que similitudes y diferencias existen entre este plasma de quarks y gluones, y el plasma que radia nuestro astro sol? Al menos en su grado de posible «fluidez»

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 agosto, 2019
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