Plasma de quarks-gluones

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El plasma de quark-gluones (en inglés QGP, Quark–Gluon Plasma) es una fase de la cromodinámica cuántica (en inglés QCD, Quantum chromodynamics) que se da cuando la temperatura y/o la densidad son muy altas. Se piensa que este estado consiste en quarks asintóticamente libres y gluones, que son varios de los componentes básicos de la materia. Se cree que hasta unos pocos milisegundos después del Big Bang, en la conocida como época quark, el universo se encontraba en un estado de plasma cuark-gluon. Los experimentos en el Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN trataron primero de crear QGP en los años ochenta y noventa, y pudo haber sido parcialmente conseguido.[1]​ Actualmente, experimentos en el Acelerador relativista de iones pesados (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider BTS) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Estados Unidos) continúan este esfuerzo.[2]​ Tres nuevos experimentos se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, ALICE,[1]​ ATLAS y CMS, continuando con el estudio de las propiedades del QGP.

El QGP contiene quarks y gluones, como la materia hadrónica normal. La diferencia entre estos dos estados de la QCD es que en la materia normal cada cuark o bien se empareja con un antiquark para formar un mesón o se une con otros dos quarks para formar un barión (tal como el protón y el neutrón). En el QGP, en cambio, estos mesones y bariones pierden sus identidades y forman una masa mucho más grande de quarks y gluones.[3]​ En la materia normal los quarks están confinados; los quarks de QGP están deconfinados.

Producción[editar]

El QGP puede ser creado calentando la materia hasta una temperatura de 175 MeV (llamada temperatura de Hagedorn). Esto equivale a una temperatura en grados Kelvin de más de 1.66×1012 K. Este proceso se puede lograr en el laboratorio haciendo chocar dos núcleos grandes con cantidades altas de energía. Plomo y oro han sido utilizados para hacer esto en el CERN SPS y RHIC, respectivamente. Los núcleos son acelerados a velocidades ultrarrelativistas y se hacen chocar el uno contra el otro cuando se contraen. En gran parte se atraviesan el uno al otro, pero después del choque se crea un volumen caliente resultante llamado bola de fuego (fireball). Una vez creada, esta bola de fuego se ensancha, debido a su propia presión, y se enfría al ensancharse. Mediante el estudio de este flujo los experimentadores esperan poder probar la teoría.

Posición en el esquema general de la física[editar]

La cromodinámica cuántica es una parte de la teoría moderna de la física de partículas llamada el modelo estándar. Otras partes de esta teoría tratan con el modelo electrodébil y los neutrinos. La electrodinámica cuántica ha sido probada y se ha encontrado correcta hasta unas pocas partes en un trillón. El modelo electrodébil ha sido probado y se ha encontrado correcto hasta unas pocas partes por millar. Los aspectos perturbativos de la QCD han sido probados a un pocas partes por centena. Por contraste, los aspectos no-perturbativos de la QCD han sido apenas probados. El estudio del QGP forma parte de este esfuerzo de consolidar la gran teoría de la física de partículas.

Propiedades esperadas[editar]

Termodinámica[editar]

La temperatura de cambio de la materia hadrónica normal al estado de QGP está alrededor de los 175 MeV, correspondiendo a una densidad de energía de un poco menos de 1 GeV/fm³. Para la materia relativista, la presión y la temperatura no son variables independientes, así que la ecuación de estado es una relación entre la densidad de energía y la presión. Esto ha sido encontrado por cómputos de retículos, y comparado con la teoría perturbacional y la teoría de cuerdas. Esto es todavía un asunto de investigación activa. Funciones de respuesta tales como el calor específico y varios números de susceptibilidades de cuark están siendo calculados actualmente.

Flujo[editar]

La ecuación de estado es una entrada importante en las ecuaciones del flujo. La velocidad del sonido está actualmente bajo investigación en cómputos de retículos. El recorrido libre medio de quarks y gluones ha sido computado utilizando la teoría perturbacional así como la teoría de cuerdas. Los cómputos de retículos han sido más lentos aquí, aunque los primeros cómputos de coeficientes de transporte hayan sido concluidos recientemente. Estos indican que el tiempo libre medio de quarks y gluones en el QGP puede ser comparable al espacio medio entre partículas: por tanto el QGP es un líquido, de acuerdo con sus propiedades de flujo. Esto es un campo activo de investigación, por lo que estas conclusiones pueden evolucionar rápidamente. La incorporación de los fenómenos disipativos en hidrodinámica es otro acontecimiento reciente que se encuentra todavía en su fase activa.

Espectro de excitación[editar]

El estudio de propiedades termodinámicas y de flujo indican que el QGP no contiene quarks y gluones casi libres. Hay muchas ideas que están evolucionando actualmente y serán comprobadas en un futuro próximo. Se ha descubierto recientemente que algunos mesones constituidos de quarks pesados (tal como el cuark encantado) no se disuelven hasta que la temperatura no llega cerca de 350 MeV. Esto ha llevado a la especulación de que en el plasma pueden existir muchas otras clases de estados. Algunas propiedades constantes del plasma (como la longitud de Debye) restringen el espectro de excitación.

Hipótesis Glasma[editar]

Desde 2008 se discute sobre un hipotético estado precursor del plasma de quarks-gluones, el llamado "Glasma", en el que las partículas vestidas se condensan en algún tipo de estado vítreo (o amorfo), por debajo de la transición genuina entre el estado confinado y el líquido plasmático.[4]​ Esto sería análogo a la formación de vidrios metálicos, o aleaciones amorfas de ellos, por debajo del inicio genuino del estado metálico líquido.

Aunque las altas temperaturas y densidades experimentales predichas como productoras de un plasma de quarks-gluones se han realizado en el laboratorio, la materia resultante no se comporta como un estado cuasi-ideal de quarks y gluones libres, sino, más bien, como un fluido denso casi perfecto.[5]​ En realidad, el hecho de que el plasma de quarks-gluones no sea todavía "libre" a las temperaturas realizadas en los aceleradores actuales se predijo en 1984 como consecuencia de los efectos remanentes del confinamiento.[6]​[7]​

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ a b «Alice Experiment: The ALICE Portal». web.archive.org. 13 de febrero de 2006. Archivado desde el original el 13 de febrero de 2006. Consultado el 21 de diciembre de 2022. 
  2. ↑ «Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)». www.bnl.gov. Consultado el 21 de diciembre de 2022. 
  3. ↑ «Infocenter ILGTI: Indian Lattice Gauge Theory Initiative». web.archive.org. 12 de febrero de 2005. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2005. Consultado el 21 de diciembre de 2022. 
  4. ↑ Venugopalan, Raju (2008). «From Glasma to Quark Gluon Plasma in heavy ion collisions». Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 35 (10): 104003. Bibcode:2008JPhG...35j4003V. S2CID 15121756. arXiv:0806.1356. doi:10.1088/0954-3899/35/10/104003. 
  5. ↑ WA Zajc (2008). «The fluid nature of quark–gluon plasma». Nuclear Physics A 805 (1–4): 283c-294c. Bibcode:2008NuPhA.805..283Z. S2CID 119273920. arXiv:0802.3552. doi:10.1016/j.nuclphysa.2008.02.285. 
  6. ↑ Plümer, M.; Raha, S.; Weiner, R. M. (1984). «How free is the quark–gluon plasma». Nucl. Phys. A 418: 549-557. Bibcode:1984NuPhA.418..549P. doi:10.1016/0375-9474(84)90575-X. 
  7. ↑ Plümer, M.; Raha, S.; Weiner, R. M. (1984). «Effect of confinement on the sound velocity in a quark–gluon plasma». Phys. Lett. B 139 (3): 198-202. Bibcode:1984PhLB..139..198P. doi:10.1016/0370-2693(84)91244-9. 

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