Plasma de quarks-gluones

  El plasma de quark-gluones (QGP) es una fase de la cromodinámica cuántica (QCD) que existe cuando la temperatura y/o la densidad son muy altas. Este estado se compone de quarks y gluones (casi) libres que son los componentes básicos de la materia. Se cree que existió durante los primeros 20 a 30 microsegundos después de que el universo naciera en la Gran Explosión. 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 Colisionador de Iones Relativamente Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven (Estados Unidos) continúan este esfuerzo [2]. Tres nuevos experimentos se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, ALICE [3], ATLAS y CM, continuando con el estudio de las propiedades del QGP.

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Introducción general

El QGP contiene quarks y gluones, como la materia hadrónica normal. La diferencia entre estas dos estados de la QCD es la siguiente: En la materia normal cada quark o bien se empareja con un anti-quark 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 hacen una masa mucho más grande de quarks y gluones [4]. En la materia normal los quarks están confinados; los quarks de QGP están deconfinados.

¿Cómo se crea en el laboratorio?

El QGP puede ser creado calentando la materia hasta una temperatura de 175 MeV. Esto se puede hacer en el laboratorio haciendo chocar dos núcleos grandes con alta energía. Plomo y oro han sido utilizados para hacer esto en el CERN SPS y RHIC, respectivamente. Los núcleos son acelerados a velocidades ultrarelativisticas y se estrellan uno contra el otro cuando se contraen. En gran parte se atraviesan el uno al otro, pero un resultante volumen caliente llamado bola de fuego se crea después del choque. Una vez creado, esta bola de fuego se ensancha debido a su propia presión, y se enfría al ensancharse. Mediante el estudio de este flujo, los experimentalistas esperan poder probar la teoría.

¿Cómo queda esto en el esquema general de la física?

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

Termodinámica

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 quark están siendo calculados actualmente.

Flujo

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 respecto a 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

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

Véase también

• Plasma (estado de la materia)
• Materia extraña
• Cromodinámica cuántica

Enlaces externos

• Colisionador relativista de Iones Pesados (RHIC)
• El experimento ALICE
• Artículo en Astroseti