La viscosidad del plasma de quarks y gluones, ALICE y las colisiones Pb-Pb en el LHC del CERN

Quizás la propiedad más importante de un plasma de quarks y gluones (QGP) es el cociente entre su viscosidad y su entropía (al menos desde el 18 de abril de 2005, cuando el RHIC del BNL anunció que el QGP se comporta como un fluido casi ideal). Calcular este parámetro utilizando la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría cuántica de campos para los quarks y los gluones, es imposible en la actualidad (incluso usando la QCD numérica o lattice QCD). Uno de los objetivos del experimento ALICE en el LHC del CERN es determinar dicho parámetro en colisiones Pb-Pb (entre iones de plomo), ya que las estimaciones del RHIC del BNL para colisiones Au-Au (entre iones de oro) de este parámetro tienen un error demasiado grande (el valor obtenido es próximo a 0’20 pero tiene un error relativo del orden del 100%). Según los modelos teóricos basados en teoría de cuerdas (dualidad AdS/CFT) el valor de esta parámetro es el mínimo teórico posible, un valor muchísimo más pequeño (η/s = h/(8π²), donde h es la constante de Planck). El problema de este cálculo es que se basa en una teoría de Yang-Mills supersimétrica con N=4, que no coincide con la QCD, y además no ofrece ningún mecanismo microscópico para explicar por qué este valor vale lo que vale. Aún así, muchos teóricos de cuerdas confían en que ALICE del LHC del CERN descubrirá que el valor de η/s es mucho más pequeño que el valor obtenido por RHIC del BNL, lo que indicará que los modelos de teoría de cuerdas no van por mal camino. Nos lo ha contado Steffen A. Bass (Duke University, USA), “What do we know about the viscosity of QCD matter?,” ICPAQGP-2010, 08 December 2010.

Os recuerdo, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es el detector especializado en colisiones entre iones pesados (plomo-plomo o Pb-Pb) en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC) del CERN, en Ginebra. Lleva solo 1 mes tomando datos sobre las propiedades del plasma de quarks y gluones (QGP), muy poco tiempo como para poder hablar de nuevos resultados de importancia, más allá de verificar las conclusiones ya obtenidas en el pasado. Hay que recordar que costó 20 años construir ALICE y que estará tomando datos durante más de 10 años. Por ahora, ALICE ha cumplido con las expectativas, confirmando las predicciones sobre el QGP que obtuvo el detector STAR del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Nueva York, EE.UU. La gran ventaja de ALICE sobre STAR es que las colisiones Pb-Pb en el LHC son 14 veces más energéticas que las colisiones Au-Au en el BNL. Gracias a ello en las colisiones de iones pesados en ALICE se observan varios chorros hadronizados de partículas que permiten explorar el interior del QGP obteniendo una especie de radiografía de este estado de la materia que permitirá ver en su interior; el RHIC es poco energético para generar un número suficiente de estos chorros de partículas. El fenómeno llamado “jet quenching” (el efecto del QGP sobre los chorros) permitirá que ALICE estudie en detalle los parámetros del QGP con una precisión que está fuera del alcance de STAR. Los interesados en más detalles sobre los primeros resultados obtenidos (en las primeras 3 semanas de colisiones Pb-Pb desde el 8 de noviembre de 2010) disfrutarán con las presentaciones en el congreso 6th International Conference on Physics and Astrophysics of Quark Gluon Plasma (ICPAQGP 2010), 5-10 December 2010. Por ejemplo, Helmut Satz (Universitaet Bielefeld), “Introduction to Quark Gluon Plasma,” ICPAQGP, 05 Dec. 2010.

La figura que abre esta entrada muestra la idea básica sobre cómo se genera un QGP en una colisión de iones pesados. El estado inicial son dos iones pesados (dos sacos de nucleones, protones y neutrones) que se mueven a velocidades relativistas (en el LHC se aceleran hasta alcanzar 2’76 TeV de energía por ión), por eso se aplanan como una “tortilla” en la dirección del movimiento, no en la transversal. En la colisión de los iones hay tanta energía que se forma por un instante un plasma de quarks y gluones (llamados conjuntamente partones), un estado de la materia en el que los constituyentes de los hadrones, los partones, no están confinados en estados ligados neutros respecto a la carga de color (la que tienen los quarks y gluones). En el ión original cada quark pertenece a un hadrón concreto, pero en un QGP los quarks están libres y no pertenecen a ningún hadrón. El QGP en su conjunto es neutro para la carga de color, pero en su interior los quarks y gluones son partículas libres, aunque con una fuerte interacción mutua. El RHIC del BNL descubrió que el QGP se comporta como un fluido casi ideal durante unos instantes, cuando la energía (temperatura) es muy alta. Al enfriarse, se produce una hadronización, los quarks se reagrupan formando partículas (hadrones) y la viscosidad del QGP crece rápidamente. En este momento se comporta como un gas de hadrones en interacción mutua muy fuerte (por ello es muy viscoso) y por ello calcular sus propiedades de forma teórica o mediante simulación numérica es muy difícil.

La gran ventaja de las colisiones Pb-Pb a 2’76 TeV c.m. en el LHC del CERN respecto a las colisiones Au-Au a solo 200 GeV c.m. en el RHIC del BNL es la posibilidad de utilizar chorros (jets) intensos de partículas (hadrones) para estudiar el interior del plasma de quarks y gluones (QGP). Estos chorros de quarks y gluones hadronizados pierden energía conforme interaccionan con el QGP, fenómeno llamado “jet quenching” y a baja energía, como en el RHIC, pierden demasiada energía antes de salir del QGP. Pero en el LHC del CERN se pueden producir múltiples chorros con suficiente energía (al menos uno debe tener al menos 120 GeV para ser útil) para atravesar el QGP y mostrarnos detalles sobre su interior, igual que una radiografía; de hecho, se habla de tomografía de chorros (jet tomography). Justo encima de este párrafo tenéis una colisión Pb-Pb obervada en el detector CMS que muestra dos chorros que atraviesan claramente un plasma de quarks y gluones (el fondo de rectángulos sin colorear). Aunque todavía es muy pronto para esperar grandes novedades en los resultados de las colisions Pb-Pb en el LHC ya se han observado algunas sorpresas. Por ejemplo, los chorros hadronizados son muy asimétricos (dijet energy imbalance), asimetría que se incrementa con la centralidad de las colisiones, un fenómeno que nadie esperaba que se observara (no predicho por las simulaciones numéricas con métodos de Montecarlo con software como PYTHIA).

En resumen, las colisiones Pb-Pb durante diciembre de 2010 en el LHC del CERN nos ofrecerán información muy interesante sobre la física del plasma de quarks y gluones gracias a ALICE y a los experimentos ATLAS y CMS. Habrá que estar atentos a las conferencias de física de partículas en marzo de 2011 cuando ya se hayan analizado todos los resultados y se empiecen a extraer las primeras conclusiones físicas sobre los resultados, como por ejemplo las primeras estimaciones de la viscosidad del QGP gracias a los chorros de partículas. No todo es bosón de Higgs y supersimetría en el LHC del CERN.