Científico Propone Un Modelo Para la Expansión del Plasma de Quarks y Gluones

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A continuación se muestra un artículo publicado hoy (16/07) em website en español de la "Agencia FAPESP”, señalando que científico propone un Modelo Para la Expansión del Plasma de Quarks y Gluones.

Duda Falcão

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Científico Propone Un Modelo Para la

Expansión del Plasma de Quarks y Gluones

Por José Tadeu Arantes

16 de julio de 2015

(Foto: BNL)

Aparato de uno de los detectores del Acelerador Relativista

de Iones Pesados del Brookhaven National Laboratory (BNL).

Los colisionadores de hadrones del LHC, emplazados en la

frontera franco-suiza, y del BNL, en Estados Unidos, son

actualmente los únicos capaces de llegar a la energía

necesaria para la producción del plasma de quarks y gluones.

Agência FAPESP – El plasma de quarks y gluones parece ser un sistema exótico; pero, según el modelo del Big Bang, su presencia fue predominante en el universo una fracción de segundo después del instante inicial. Se volvió exótico debido a la interacción nuclear fuerte, que confinó a quarks y gluones en el interior de estructuras tales como el protón, el neutrón y los mesones.

Los niveles de energía alcanzados en los dos mayores colisionadores de la actualidad –el Large Hadron Collider (LHC), situado en la frontera franco-suiza, y el Brookhaven National Laboratory (BNL), en Estados Unidos– permitieron que, al menos por un lapso de tiempo exiguo, el plasma de quarks y gluones volviese a aparecer.

En el marco de un proyecto con un año de extensión, integrado por los grupos encabezados por el profesor Jorge Noronha, de la Universidad de São Paulo (USP), y por el profesor Ulrich Heinz, de la Ohio State University (OSU), se intentó presentar el estado del arte en la descripción de este sistema: “A state-of-the-art description of the strongly coupled quark-gluon plasma using viscous relativistic hydrodynamics and the Gauge/gravity duality”. El proyecto contó con el apoyo de la FAPESP.

La idea original era utilizar la hidrodinámica relativista y la dualidad entre teorías de cuerdas y teorías de campos para entender un poco más la física del plasma de quarks y gluones.

“Con todo, una vez que empezamos a trabajar, ocurrió algo que no habíamos previsto. Encontramos por primera vez un modelo de la expansión en el espacio y en el tiempo de ese sistema y su descripción como un fluido ultrarrelativista [que se expande a una velocidad cercana a la de la luz], declaró Noronha, docente del Instituto de Física de la USP, a Agência FAPESP.

Este descubrimiento se dio a conocer en dos trabajos, uno de ellos publicado en Physical Review Letters, “New exact solution of the relativistic Boltzmann equation and its hydrodynamic limit”, y el otro en Physical Review D, “Studying the validity of relativistic hydrodynamics with a new exact solution of the Boltzmann equation”.

“Debido a la gran repercusión internacional de esos artículos, decidimos continuar la investigación, en este caso con un proyecto más largo, de dos años de extensión”, comentó Noronha.

La hidrodinámica relativista suministró una descripción efectiva de la complicada dinámica microscópica del plasma de quarks y gluones. El recurso matemático utilizado fue la Ecuación de Boltzmann, adaptada al contexto relativista.

En su forma clásica, esta ecuación fue postulada originalmente por el físico austríaco Ludwig Boltzmann en 1872, para modelar la dinámica de gases. Al frente de su época, Boltzmann concibió los fluidos como conjuntos de moléculas, átomos o iones, cuya dinámica podía describirse recurriéndose únicamente a los procesos de colisión entre las partículas constituyentes.

“Aplicamos esa ecuación a un fluido ultrarrelativista, que se propaga a una velocidad cercana a la de la luz, tanto en la dirección longitudinal como en la dirección transversal, y logramos resolverla de manera exacta, empleando para ello un mecanismo bastante ingenioso: la llamada Transformación de Weyl”, dijo.

"Básicamente, ese mecanismo permitió transformar el problema original, en el cual el plasma se mueve en un espacio plano [sin curvatura], en otro problema, rigurosamente equivalente, en el cual el plasma permanece detenido mientras el proprio espacio-tiempo se expande [curvándose]”, dijo Noronha.

Fue una gran novedad, que permitió transformar un problema dificilísimo de teoría cinética relativista en un problema mucho más sencillo de relatividad general.

“En la descripción en el espacio-tiempo curvo, el problema puede resolverse de manera exacta. Una vez hecho esto, pudimos volver y calcular precisamente de qué manera se expandía el plasma en el espacio plano original”, explicó el investigador.

Materia Conocida

Según Noronha, la idea de transformar un problema en otro se le ocurrió debido a su repertorio teórico. “Como trabajo con aplicaciones de la teoría de cuerdas [en la forma de la dualidad holográfica AdS/ CFT], los conceptos de la relatividad general están siempre presentes en mi mente”, dijo.

En el marco experimental, el plasma de quarks y gluones se forma mediante la colisión de núcleos pesados como los de oro o de plomo, acelerados hasta un 99,9% de la velocidad de la luz. Cuando colisionan, esos núcleos forman un plasma tan energético que los protones y los neutrones que los constituyen no pueden subsistir como tales y se descomponen en quarks y gluones.

En el instante de su formación, ese sistema es muy pequeño y de muy alta temperatura, la cual llega a los 10¹² K. A modo de comparación, la temperatura máxima hallada en el Sol es del orden de los 10⁷ K. Eso significa que el plasma está 100 mil veces más caliente que la región más caliente del Sol. Se trata de la temperatura más alta obtenida hasta ahora en laboratorio.

“Se expande muy rápido en el espacio-tiempo. Y en esa expansión, se comporta como si fuese una especie de líquido cuya viscosidad es la menor posible, menor incluso que la de un superfluido”, informó Noronha.

Con la expansión, la temperatura cae muy rápidamente, y los quarks y los gluones vuelven a agruparse formando hadrones (protones, neutrones, mesones etc.), que se miden con los detectores. El fluido de quarks y gluones perdura por un lapso de tiempo extremadamente corto: no mucho más que 10 veces el tiempo que tarda la luz en atravesar un único protón.

Según Noronha, uno de los motivos para estudiar quarks y gluones consiste en que éstos responden por el 97% de la masa de la materia conocida.

“Se convirtió en latiguillo decir que el bosón de Higgs es el responsable de la masa. Pero no es exactamente así. El Universo está constituido por más de un 70% de energía oscura, más de un 20% de materia oscura y alrededor de un 4% de materia conocida. De ese 4%, aproximadamente el 97% proviene de los quarks y gluones. El bosón de Higgs, en ese caso, es el responsable del restante 3%”, dijo.

Fuente: Sitio web de la Agencia FAPESP