El estado actual de las colisiones de iones pesados en el LHC del CERN

El detector ALICE del LHC del CERN ya tiene sus dos primeros artículos en ArXiv con nuevos resultados sobre el plasma de quarks y gluones obtenidos gracias a las primeras colisiones de iones pesados (plomo-plomo o Pb-Pb) a 2’76 TeV c.m. que se iniciaron el domingo 7 de noviembre. Los físicos teóricos de cuerdas están expectantes por sus resultados. La posibilidad que los modelos de teoría de cuerdas basados en la dualidad gravedad/gauge (o en la correspondencia AdS/CFT) permitan predecir nuevas propiedades del plasma de quarks y gluones (QGP) aún por descubrir los tiene a muchos en ascuas. No es para menos, las colisiones Pb-Pb a 2’76 TeV conllevan energías que son catorce veces mayores a las que se han podido obtener en el RHIC, que descubrió que el QGP es un líquido ideal (de muy baja viscosidad) pero fuertemente acoplado (gracias a una propiedad técnica llamada flujo elíptico). El segundo de los artículos de ALICE ha verificado esta propiedad, el flujo elíptico de las partículas, confirmando que el QGP es un líquido ideal en colisiones ión-ión a 2’76 TeV. Para los físicos interesados en estos artículos son: The ALICE Collaboration, “Charged-particle multiplicity density at mid-rapidity in central Pb-Pb collisions at sqrt(sNN) = 2.76 TeV,” ArXiv, 17 Nov 2010, y “Elliptic flow of charged particles in Pb-Pb collisions at 2.76 TeV,” ArXiv, 17 Nov 2010. Para mí el más intersante es el segundo. En ambos casos se trata de resultados muy interesantes obtenidos en poquísimo tiempo; me atrevo a conjeturar que estos artículos ya estaban escritos a la espera de los primeros datos para completarlos con las figuras oportunas; en otro caso es difícil pensar que un artículo en el que los nombres de los autores ocupan 5 páginas haya sido escrito tan rápido.

Las técnicas de la teoría de cuerdas permiten el estudio de las propiedades de líquidos ideales fuertemente acoplados. Antes de su descubrimiento en el RHIC, todo el mundo pensaba que las propiedades del QGP eran las de un gas ideal. La primera cuestión que ha estudiado ALICE es si a mayor energía (más de un orden de magnitud mayor que en el RHIC) el comportamiento como líquido ideal del QGP encontrado se mantiene y no aparece una nueva fase de tipo “gaseosa.” Los primeros resultados que se acaban de publicar confirman el comportamiento como líquido. Un gran acicate para que los teóricos de cuerdas sigan trabajando en el estudio del QGP desde un enfoque “novedoso.” Quizás logren predecir alguna propiedad que pueda ser estudiada gracias a ALICE, logrando elevar las teorías de cuerdas al pedestal de las teorías matemáticas que son teorías físicas.

En el LHC del CERN no solo está estudiando las colisiones Pb-Pb el detector ALICE, también están haciéndolo ATLAS y CMS. Este último ha logrado detectar por primera vez en la historia un bosón Z generado en las colisiones de iones pesados. La figura de arriba muestra un evento candidato a la desintegración de un bosón Z en un par de muones, observado el 9 de noviembre de 2010. También han observado el domingo 14 de noviembre su primer bosón Z que se desintegra en un par de electrones. Un ejemplo maravilloso del buen estado del detector CMS que no fue diseñado para estudiar colisiones entre iones pesados (como ALICE). El anuncio oficial es “First Z bosons detected by CMS in heavy-ion collisions,” CMS, CERN, Nov. 18th, 2010 [versión pdf] y se han hecho eco de esta excelente noticia varios blogs, como Tommaso Dorigo, “Z Bosons From Heavy Ion Collisions,” A Quantum Diaries Survivor, Nov. 19th, 2010.

El detector ATLAS ha publicado un evento (observado el 28 de octubre) que podría ser la primera evidencia de la supersimetría, la desintegración de un bosón Z en dos muones (con momentos transversales de 50 y 126 GeV/c) más una pérdida de energía enorme de unos 161 GeV. Esta pérdida de energía tan grande podría corresponder a una partícula supersimétrica, la opinión oficial es que se trata de una desintegración Z→μμνν en dos muones y dos neutrinos (según Pippa Wells, “ATLAS Status Report,” 104th LHCC Meeting). Un solo evento no puede ser reclamado como evidencia de nueva física. El año que viene promete ser apasionante y seguramente se observarán muchos más eventos de este tipo lo que permitirá dar una confirmación (o refutación) definitiva de mi hipótesis de que este evento podría ser la primera observación de una partícula supersimétrica en el LHC del CERN. Más información en “Candidate Z Decay with Large Missing ET,” ATLAS, CERN.

Las colisiones protón-protón en el LHC retornarán sobre el 21 de febrero según nos han indicado en el 104th LHCC Meeting, chaired by Terry Wyatt (Universidad de Manchester), 17-18 November 2010, at CERN. Según Roger Bailey, “LHC Machine Status Report,” el modo de operación del LHC para el próximo año todavía tiene que ser discutido en el próximo Charmonix (workshop que tendrá lugar entre el 24-28 de enero de 2011), pero las colisiones en 2011 serán casi seguro con haces de protones a 4 TeV, es decir, con colisiones a 8 TeV c.m. Habrá que discutir qué parámetros tope se tratarán de alcanzar. Bailey afirma que como mínimo el tope será alcanzar 936 paquetes de protones (con una separación de 75 ns) y unos 1’2 × 10¹¹ protones por paquete; en estas circunstancias la luminosidad pico esperada es de 6’4 × 10³² /cm²/s, es decir, 11/pb al día, lo que totaliza 2’2/fb tras 200 días de operación. Bailey pone el máximo alcanzable en unos 1400 paquetes de protones (separados a 50 ns), con unos 1’5 × 10¹¹ protones por paquete, una luminosidad pico de 2’2 × 10³³ /cm²/s, y un total de 7’6 /fb tras 200 días. Que los responsables del LHC se atrevan con estos números en 2011 es un claro indicativo de lo bien que se ha portado esta máquina durante 2010. Habrá que estar al tanto de las novedades. Máxime porque con estos números el LHC podrá explorar el rango de 114 – 600 GeV en busca del bosón de Higgs, como nos aclara la siguiente figura preliminar del experimento CMS (más información en Tiziano Camporesi, “CMS Status Report,” 104th LHCC Meeting).

2 pensamientos en “El estado actual de las colisiones de iones pesados en el LHC del CERN

  1. Ha llegado una circular de Rolf Heuer con algunas cositas nuevas en Ginebra, por si tambien te interesa a ti Francis, un saludo:

    Dear Colleagues,
    Please find below a Press Release on very interesting first results from the heavy-ion run.
    Best regards,
    Rolf Heuer
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    LHC experiments bring new insight into primordial Universe

    Geneva, 26 November 2010. After less than three weeks of heavy-ion running, the three experiments studying lead ion collisions at the LHC have already brought new insight into matter as it would have existed in the very first instants of the Universe’s life. The ALICE experiment, which is optimised for the study of heavy ions, published two papers just a few days after the start of lead-ion running. Now, the first direct observation of a phenomenon known as jet quenching has been made by both the ATLAS and CMS collaborations. This result is reported in a paper from the ATLAS collaboration accepted for publication yesterday in the scientific journal Physical Review Letters. A CMS paper will follow shortly, and results from all of the experiments will be presented at a seminar on Thursday 2 December at CERN. Data taking with ions continues to 6 December.
    “It is impressive how fast the experiments have arrived at these results, which deal with very complex physics,” said CERN’s Research Director Sergio Bertolucci. “The experiments are competing with each other to publish first, but then working together to assemble the full picture and cross check their results. It’s a beautiful example of how competition and collaboration is a key feature of this field of research.”
    One of the primary goals of the lead-ion programme at CERN is to create matter as it would have been at the birth of the Universe. Back then, the ordinary nuclear matter of which we and the visible Universe are made could not have existed: conditions would have been too hot and turbulent for quarks to be bound up by gluons into protons and neutrons, the building blocks of the elements. Instead, these elementary particles would have roamed freely in a sort of quark gluon plasma. Showing beyond doubt that we can produce and study quark gluon plasma will bring important insights into the evolution of the early Universe, and the nature of the strong force that binds quarks and gluons together into protons, neutrons and ultimately all the nuclei of the periodic table of the elements.
    When lead-ions collide in the LHC, they can concentrate enough energy in a tiny volume to produce tiny droplets of this primordial state of matter, which signal their presence by a wide range of measureable signals. The ALICE papers point to a large increase in the number of particles produced in the collisions compared to previous experiments, and confirm that the much hotter plasma produced at the LHC behaves as a very low viscosity liquid (a perfect fluid), in keeping with earlier observations from Brookhaven’s RHIC collider. Taken together, these results have already ruled out some theories about how the primordial Universe behaved.
    “With nuclear collisions, the LHC has become a fantastic ‘Big Bang’ machine,” said ALICE spokesperson Jürgen Schukraft. “In some respects, the quark-gluon matter looks familiar, still the ideal liquid seen at RHIC, but we’re also starting to see glimpses of something new”.
    The ATLAS and CMS experiments play to the strength of their detectors, which both have very powerful and hermetic energy measuring capability. This allows them to measure jets of particles that emerge from collisions. Jets are formed as the basic constituents of nuclear matter, quarks and gluons, fly away from the collision point. In proton collisions, jets usually appear in pairs, emerging back to back. However, in heavy ion collisions the jets interact in the tumultuous conditions of the hot dense medium. This leads to a very characteristic signal, known as jet quenching, in which the energy of the jets can be severely degraded, signalling interactions with the medium more intense than ever seen before. Jet quenching is a powerful tool for studying the behaviour of the plasma in detail.
    “ATLAS is the first experiment to report direct observation of jet quenching,” said ATLAS Spokesperson Fabiola Gianotti. “The excellent capabilities of ATLAS to determine jet energies enabled us to observe a striking imbalance in energies of pairs of jets, where one jet is almost completely absorbed by the medium. It’s a very exciting result of which the Collaboration is proud, obtained in a very short time thanks in particular to the dedication and enthusiasm of young scientists.”
    “It is truly amazing to be looking, albeit on a microscopic scale, at the conditions and state of matter that existed at the dawn of time,” said CMS Spokesperson Guido Tonelli. “Since the very first days of lead-ion collisions the quenching of jets appeared in our data while other striking features, like the observation of Z particles, never seen before in heavy-ion collisions, are under investigation. The challenge is now to put together all possible studies that could lead us to a much better understanding of the properties of this new, extraordinary state of matter”
    The ATLAS and CMS measurements herald a new era in the use of jets to probe the quark gluon plasma. Future jet quenching and other measurements from the three LHC experiments will provide powerful insight into the properties of the primordial plasma and the interactions among its quarks and gluons.
    With data taking continuing for over one more week, and the LHC already having delivered the programmed amount of data for 2010, the heavy-ion community at the LHC is looking forward to further analysing their data, which will greatly contribute to the emergence of a more complete model of quark gluon plasma, and consequently the very early Universe.

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