ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo

Dibujo20121220 Two-dimensional correlation functions for peripheral events -left- and central events -right

En “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,” hablé de un fenómeno que observó CMS en la prueba piloto realizada en septiembre de 2012 de colisiones de protón contra núcleo de plomo (p-Pb) a 5,02 TeV c.m. en el LHC (CERN). Hoy se publica que ATLAS ha confirmado el mismo fenómeno utilizando los datos de dicha prueba piloto, es decir, correlaciones entre pares de partículas en el diagrama que muestra el ángulo azimutal relativo (∆φ) versus la pseudorapidez (∆η); recuerda que la pseudorapidez se obtiene a partir del ángulo polar (en coordenadas esféricas) mediante un cambio de variable. Este “ridge” observado también en colisiones Pb-Pb en CMS, ATLAS y ALICE, aún no tiene una explicación convincente. El nuevo artículo técnico es ATLAS Collaboration, “Observation of Associated Near-side and Away-side Long-range Correlations in sqrt(s_NN)=5.02 TeV Proton-lead Collisions with the ATLAS Detector,” arXiv:1212.5198, 20 Dec 2012.

 

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Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC

El modelo estándar de la física de partículas oculta muchos fenómenos que aún no han sido observados. En septiembre de 2012, se realizó una prueba piloto de colisiones de protón contra núcleo de plomo (pPb) a 5,02 TeV en el LHC para preparar las colisiones que se iniciarán en enero de 2013. CMS recopiló dos millones de colisiones pPb, muy pocas, pero suficientes para observar un nuevo fenómeno que aún no tiene explicación (aunque todo el mundo cree que el modelo estándar debería poder explicarlo). Este fenómeno, la existencia de correlaciones angulares entre pares de partículas en colisiones con un gran número de partículas, ya fue observado en septiembre de 2010 en las colisiones de protón contra protón (pp) a 7 TeV. En estas colisiones pp el fenómeno es muy raro, ocurre una vez cada 100.000 colisiones (en 2010 CMS lo observó tras analizar 150 mil millones de colisiones pp). Nunca antes se habían observado estas correlaciones que se parecen a efectos observados en las colisiones de iones pesados en el RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider), también observados por CMS, ATLAS y ALICE en las colisiones de núcleos de plomo contra núcleos de plomo (PbPb) a 2,76 TeV. Sin embargo, el fenómeno observado en colisiones pp y pPb no ha sido confirmado aún ni por ATLAS ni por ALICE. Aunque aún no hay una explicación satisfactoria a este nuevo fenómeno, todo el mundo piensa que no es necesaria física más allá del modelo estándar. Nos lo cuenta Wei Li, Gunther Roland (CMS Heavy Ions group), “Unexplained long-range correlations observed in pPb collisions,” CMS News, Oct. 22, 2012, quienes se hacen eco del artículo técnico de CMS Collaboration, “Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC,” arXiv:1210.5482, Subm. 19 Oct. 2012.

Las correlaciones observadas en las colisiones pp, PbPb y pPb aparecen en los eventos con una alta densidad de partículas, por ello son muy raras en las colisiones pp. Para muchos ha sido una sorpresa observar estas correlaciones con tan pocas colisiones pPb, ya que la magnitud de las mismas es similar a las de las colisiones pp. Como muestra la figura, Δφ es el ángulo azimutal relativo (en el plano transversal a los haces que colisionan) entre las trayectorias de cada par de partículas en colisión. El nuevo fenómeno observado es un incremento en el número de pares de partículas para ángulos pequeños. La explicación de este fenómeno debe estar relacionada con la aparición de correlaciones cuánticas de largo alcance en el plasma de quarks y gluones (QGP) formado durante la colisión. En las colisiones pp donde se observa una alta densidad de partículas, éstas se comportan como un QGP; como la física de este fenómeno es muy complicada, aún podemos esperar que se descubran nuevas sorpresas en un futuro próximo.

Más caliente que Justin Bieber y Emma Stone juntos, el plasma de quarks y gluones

Nuevo récord de temperatura (efectiva) en el Libro Guinness, los cuatro billones de grados centígrados en un plasma de quarks y gluones logrados en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Un líquido (casi) perfecto formado por la colisión de núcleos de oro que reproduce las condiciones del universo pocos instantes tras la Gran Explosión (Big Bang). Este récord del Libro Guinness durará poco, quizás solo hasta el año que viene, pues en ALICE del LHC (CERN) se alcanzan temperaturas más altas, solo que todavía no se han molestado en realizar una medida suficientemente precisa de dichas temperaturas. Más información en Alan Boyle, “Big-bang soup wins hotness record,” Cosmic Log, 27 june 2012.

La violación de la paridad inducida por campos magnéticos en un plasma de quarks y gluones, y como una noticia vuelve a ser noticia

Violación de la paridad en un plasma de quarks y gluones inducida por campos magnéticos, observada en las colisoines Au-Au y Cu-Cu a 200 GeV en el centro de masas, observada por la colaboración STAR del RHIC del BNL. (C) Phys. Rev. Lett.

La paridad es la simetría de Alicia en el país de las maravillas a través del espejo. La simetría P de una ley física indica que dicha ley es invariante si reflejamos el universo en un espejo. La teoría electrodébil de la fuerza nuclear débil en desintegraciones de partículas que involucran neutrinos viola la simetría P lo que fue toda una revolución en su momento (Premio Nobel de Física en 1957, justo un año después del descubrimiento). La cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza fuerte, no viola la paridad (en el mismo sentido que la teoría electrodébil). Sin embargo, como se teorizó hace más de 10 años (Dmitri Karzeev et al., PRL 1998) y se ha descubierto experimentalmente el año pasado (publicado hace un par de meses en PRL), sí viola la paridad en ciertas circunstancias. Un plasma de quarks y gluones sometido a un campo magnético intenso presenta dominios (pequeñas “burbujas”) en las que se viola la paridad, o al menos así se han interpretado los resultados experimentales observados por la colaboración STAR en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Upton, New York. El artículo se publicó en PRL [1] y ya fue noticia en diciembre de 2009 [2]. Dicha noticia ha vuelto a ser actualidad en diferentes medios porque fue presentada como charla por Dmitri Kharzeev del BNL el 15 de febrero de 2010 en la Conferencia de Abril de la Sociedad de Física Americana (April meeting of the American Physical Society) [3,4]. Parece que la charla en la conferencia ha tenido más repercusión mediática, si cabe, que el artículo publicado en PRL. Para mí, toda una sorpresa, que incluso me hizo creer en un primer momento que Kharzeev había contado algo nuevo descubierto en los dos últimos meses (ver mi comentario en [4]). Sin embargo, no es así, ha contado sólo lo ya publicado.

En el RHIC se hace colisionar núcleos de iones de oro de tal forma que se forma un plasma de quarks y gluones (los constituyentes de los protones y neutrones del núcleo de estos iones). La “ruptura de la simetría” observada en estas colisiones es muy sutil (comparada con la electrodébil). Cuando los iones en lugar de colisionar centro con centro lo hacen con cierta desviación se forma una plasma de quarks y gluones asimétrico, como un elipsoide (o un geoide achatado por los polos como la Tierra). En este plasma de quarks y gluones, también llamado glasma, se crean intensos campos magnéticos y se ha observado que los quarks y antiquarks con carga positiva se dirigen hacia un polo del campo magnético y los quarks y antiquarks con carga negativa se dirigen hacia el otro polo. Esta separación de cargas viola la paridad, que si se cumpliera obligaría a que el mismo número de quarks y antiquarks tanto positivos como negativos se dirigiera en ambas direcciones.

En la violación de la paridad en las interacciones débiles, un electrón siempre emerge en una desintegración de un partícula con la misma helicidad. Sin embargo, en un glasma, los quarks cargados a veces se dirigen hacia el polo norte y a veces hacia el polo sur. La violación de la paridad es “local” se produce sólo en ciertas regiones localizadas (dominios o “burbujas”) pero no por todas partes (fuera de estos dominios la paridad se conserva). Este tipo de violaciones de la paridad inducidas por cámpos magnéticos en la QCD ha sido teorizada desde hace años, pero para los físicos experimentales es como encontrar una mina de oro en una mina de plata, ya que el efecto ha sido mucho más “dramático” de lo que cualquier físico experimental podía esperar.

[1] B. I. Abelev et al. “Azimuthal Charged-Particle Correlations and Possible Local Strong Parity Violation,” Phys. Rev. Lett. 103: 251601, published 14 December 2009 [ArXiv preprint, 9 Sep 2009].

[2] Berndt Müller, “Looking for parity violation in heavy-ion collisions. The STAR detector at RHIC has measured a signal that may indicate parity violation occurs in metastable regions of the superdense matter,” Physics 2: 104, December 14, 2009.

[3] Lauren Schenkman, “Particle Collision Puts Twist in Early Universe,” ScienceNOW, February 16, 2010.

[4] Kanijo, “‘Burbujas’ de ruptura de simetría en la sopa del quarks del RHIC,” Ciencia Kanija, 15 Feb. 2010,  traducción de Karen McNulty Walsh, Mona S. Rowe, “‘Bubbles’ of Broken Symmetry in Quark Soup at RHIC. Data suggest symmetry may ‘melt’ along with protons and neutrons,” RHIC, BNL, February 15, 2010 [visto en Menéame].

PS (24 feb 2010): Una presentación muy buena (aunque algo técnica) de Jim Thomas,”Strong Parity Violation: A Summary of STAR Charge Separation Measurements,” ALICE Club, CERN, 23 November 2009.

PS (15 mar 2010): Vídeo youtube explicativo (en inglés) publicado desde el RHIC.

Láseres de yoctosegundos gracias a los grandes aceleradores de partículas

Un yoctosegundo es una billonésima de billonésima de segundo (10-24 s.). En la colisión de alta energía de dos iones pesados se producen pulsos de luz ultracortos de alta energía en el régimen de los yoctosegundos gracias a la producción de un plasma de quarks y gluones. Estos pulsos permiten estudiar las propiedades de dicho estado de la materia, que asemeja al estado del universo tras la inflación cósmica, que ocurrió en el primer yoctosegundo desde su origen en la Gran Explosión. Sin embargo, estos pulsos también pueden ser utilizados en aplicaciones prácticas. Un yoctosegundo es el tiempo que tarda la luz en recorrer un núcleo atómico. Los láseres de “yoctopulsos” (todavía sólo una propuesta teórica que tendrá que ser verificada experimentalmente) podrán penetrar en los núcleos atómicos y revelar en tiempo real muchas de sus propiedades. Es pronto para pensar en aplicaciones en mediciona o radiología, como ya se hace con la radiación sincrotón como técnica en radioterapia (en España tenemos la instalación ALBA), ya que en el mundo sólo hay dos fuentes capaces de generar yoctopulsos: el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en Brookhaven National Laboratory, EEUU, donde pueden colisionar iones pesados con masa hasta la del oro, y el LHC (Large Hadron Collider) del CERN, donde pueden colisionar iones pesados con masa hasta la del plomo. El artículo técnico que propone las fuentes de yoctopulsos es Andreas Ipp, Christoph H. Keitel, Jörg Evers, “Yoctosecond photon pulses from quark-gluon plasmas,” Phys.Rev.Lett. 103: 152301, 9 oct. 2009 [ArXiv preprint]. La presentación PPT de Andreas Ipp en el Vienna Theory Lunch Club, Nov 10, 2009, “Yoctosecond light flashes from the quarkgluon plasma,” es preciosa y muy bien ilustrada, os gustará. Se han hecho eco de esta propuesta muchos articulistas y blogueros, como physicsworld.com, nextbigfuture.com, y optoiq.com. Yo no quería ser menos, aunque no entraré en más detalles.