Quarks, Gluones y Antimateria


Hoy toca continuar acercándonos a los distintos experimentos del LHC y a las cuestiones que se pretenden esclarecer mediante distintos experimentos. En concreto voy a tratar de los dos experimentos de los detectores de  tamaño medio ALICE y LHCb ,que se han especializado en el análisis de las colisiones del LHC en relación con fenómenos específicos.

  • El experimento ALICE utilizará las colisiones de iones de plomo para estudiar el plasma de quarks y gluones, la sopa cósmica primordial que se cree que ha existido poco después del Big Bang.
  • El experimento LHCb investigará las pequeñas diferencias entre materia y antimateria con el fin de ayudar a los científicos comprender por qué el universo parece estar compuesto casi en su totalidad de la materia. En los experimentos anteriores ya se ha observado una diferencia de comportamiento muy pequeño, pero lo que se ha visto hasta ahora no es lo suficiente para explicar el aparente desequilibrio materia-antimateria en el Universo. Además, los datos de los cuatro grandes experimentos del LHC serán analizados cuidadosamente para buscar signos de nuevas dimensiones del espacio, ya que estas dimensiones extra pueden ser detectables a muy altas energías.

Para entender que se pretende investigar hay que aportar una serie de datos sobre las cuestiones a estudio.

Plasma de quarks y gluones

La teoría de las interacciones nucleares fuertes o Cromodinámica Cuántica, QCD por sus siglas en inglés, presenta la todavía misteriosa propiedad de confinamiento: las partículas constituyentes de los hadrones (partículas que forman los átomos), denominados quarks y gluones, no aparecen como partículas libres en la naturaleza sino como estados ligados, en bariones y mesones (conjunto de diferentes tipos de hadrones). 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). Sin embargo, existe la posibilidad de que los quarks y gluones entren en una fase de deconfinamiento donde se comporten como partículas libres. Esto ocurre a temperaturas muy altas, alrededor del billón de grados centígrados. Este estado se denomina plasma de quarks y gluones (QGP) y se cree que estuvo presente en los diez primeros microsegundos después del Big Bang.

El QGP puede ser creado calentando la materia hasta una temperatura de 175 MeV, correspondiendo a una densidad de energía de un poco menos de 1 GeV/fm³ (fm = fentometro 1*10-5 m). 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 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 (Super Proton Synchrotron del CERN) y en el RHIC (Relativistic Heavy Icon Collider del Laboratorio Nacional de Brookhaven, EEUU), respectivamente. Los núcleos son acelerados a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y se estrellan uno contra el otro cuando se contraen. En gran parte se atraviesan el uno al otro, pero se crea un volumen caliente después del choque llamado bola de fuego. Una vez creada, esta bola de fuego se ensancha debido a su propia presión, y se enfría al ensancharse. Mediante el estudio de este flujo, los científicos esperan poder probar la teoría.

Los experimentos realizados en el RHIC con colisiones de iones de oro han comprobado que  realmente se ha creado la fase de plasma. Existe ya cierto consenso científico sobre la creación de un nuevo estado de la materia nuclear en estas colisiones de iones de oro que presenta muchas de las propiedades esperadas del plasma de quarks y gluones. Es más, los datos contienen también sorpresas: el plasma no se comporta como un gas (como se esperaba) sino como un líquido, y no uno cualquiera, sino el líquido más perfecto observado en la Naturaleza. La propiedad determinante de un líquido es su viscosidad y el plasma de quarks y gluones supuestamente creado en RHIC es el de viscosidad más baja nunca vista.

Sorprendentemente, esta característica del plasma de quarks y gluones puede modelizarse (realizar modelos teóricos) en teorías avanzadas basadas en la teoría de cuerdas. La llamada correspondencia de Maldacena (científico argentino de la Universidad de Princeton) permite modelizar este estado (plasma) como un agujero negro (gran cantidad de masa en un espacio infinitamente pequeño) en cinco dimensiones en un espacio curvo (anti-deSitter), donde el plasma se encuentra en su frontera. Como si de un holograma se tratase, al igual que la información sobre una imagen tridimensional se puede guardar en sólo dos dimensiones, la teoría de cuerdas en cinco dimensiones contiene la información sobre el plasma en las cuatro dimensiones espacio-temporales. Por tanto el modelo se llama el plasma holográfico.

En este sentido con energías muchísimo más elevadas se harán experimentos en el LHC con el fin de crear situaciones tendentes a emular los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang y comprobar si los quarks y gluones se decofinan formando dicho plasma como origen primigenio del universo.

Antimateria

¿Qué es la antimateria? Es la materia hecha de antipartículas, la siguiente cuestión es si hay partículas y antiparticulas, por qué no se anulan y, es más,  en vez de eso tenemos materia y no hay antimateria.

Tal y como lo conocemos ahora, todo empezó en el Big Bang, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc2 cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan y forman energía.

Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que nada existiría. Entonces, el hecho que el universo se componga sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias y el mundo tal y como lo conocemos.

Es lo que se hará en el LHC.  Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc2 y por supuesto antimateria. En cada colisión del LHC se formarán partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero da tiempo de registrarlas para estudiarlas y eso es lo que sea hará

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Los dos experimentos de los detectores de mediano tamaño ALICE y LHCb se han especializado en el análisis de las colisiones del LHC en relación con fenómenos específicos. El experimento ALICE utilizará las colisiones de iones de plomo para estudiar el plasma de quarks y gluones, la sopa cósmica primordial que se cree que ha existido poco después del Big Bang. El experimento LHCb investigará las pequeñas diferencias entre materia y antimateria con el fin de ayudar a los científicos comprender por qué el universo parece estar compuesto casi en su totalidad de la materia. En los experimentos anteriores ya se ha observado una diferencia de comportamiento muy pequeño, pero lo que se ha visto hasta ahora no es lo suficiente para explicar el aparente desequilibrio materia-antimateria en el Universo. Además, los datos de los cuatro grandes experimentos del LHC serán analizados cuidadosamente para buscar signos de nuevas dimensiones del espacio, ya que estas dimensiones extra pueden ser detectables a muy altas energías.

Plasma de quarks y gluones

La teoría de las interacciones nucleares fuertes o Cromodinámica Cuántica, QCD por sus siglas en inglés, presenta la todavía misteriosa propiedad de confinamiento: las partículas constituyentes de los hadrones (partículas que forman los átomos), denominados quarks y gluones, no aparecen como partículas libres en la naturaleza sino como estados ligados, en bariones y mesones (conjunto de diferentes tipos de hadrones). 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). Sin embargo, existe la posibilidad de que los quarks y gluones entren en una fase de deconfinamiento donde se comporten como partículas libres. Esto ocurre a temperaturas muy altas, alrededor del billón de grados centígrados. Este estado se denomina plasma de quarks y gluones (QGP) y se cree que estuvo presente en los diez primeros microsegundos después del Big Bang.

El QGP puede ser creado calentando la materia hasta una temperatura de 175 MeV, correspondiendo a una densidad de energía de un poco menos de 1 GeV/fm³ (fm = fentometro 1*10-5 m). 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 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 (Super Proton Synchrotron del CERN) y en el RHIC (Relativistic Heavy Icon Collider del Laboratorio Nacional de Brookhaven, EEUU), respectivamente. Los núcleos son acelerados a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y se estrellan uno contra el otro cuando se contraen. En gran parte se atraviesan el uno al otro, pero se crea un volumen caliente después del choque llamado bola de fuego. 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 científicos esperan poder probar la teoría.

Los experimentos realizados en el RHIC con colisiones de iones de oro han comprobado que  realmente se ha creado la fase de plasma. Existe ya cierto consenso científico sobre la creación de un nuevo estado de la materia nuclear en estas colisiones de iones de oro que presenta muchas de las propiedades esperadas del plasma de quarks y gluones. Es más, los datos contienen también sorpresas: el plasma no se comporta como un gas (como se esperaba) sino como un líquido, y no uno cualquiera, sino el líquido más perfecto observado en la Naturaleza. La propiedad determinante de un líquido es su viscosidad y el plasma de quarks y gluones supuestamente creado en RHIC es el de viscosidad más baja nunca vista.

Sorprendentemente, esta característica del plasma de quarks y gluones puede modelizarse (realizar modelos teóricos) en teorías avanzadas basadas en la teoría de cuerdas. La llamada correspondencia de Maldacena (científico argentino de la Universidad de Princeton) permite modelizar este estado (plasma) como un agujero negro (gran cantidad de masa en un espacio infinitamente pequeño) en cinco dimensiones en un espacio curvo (anti-deSitter), donde el plasma se encuentra en su frontera. Como si de un holograma se tratase, al igual que la información sobre una imagen tridimensional se puede guardar en sólo dos dimensiones, la teoría de cuerdas en cinco dimensiones contiene la información sobre el plasma en las cuatro dimensiones espacio-temporales. Por tanto el modelo se llama el plasma holográfico.

En este sentido con energías muchísimo más elevadas se harán experimentos en el LHC con el fin de crear situaciones tendentes a emular los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang y comprobar si los quarks y gluones se decofinan formando dicho plasma como origen primigenio del universo.

Antimateria

¿Qué es la antimateria? Es la materia hecha de antipartículas la siguiente cuestión es si hay partículas y antiparticulas, por qué no se anulan y, es más,  en vez de eso tenemos materia y no hay antimateria.

Tal y como lo conocemos ahora, todo empezó en el Big Bang, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc2 cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas.Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan y forman energía.

Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que nada existiría. Entonces, el hecho que el universo se componga sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias y el mundo tal y como lo conocemos.

Es lo que se hará en el LHC, o en otros laboratorios de partículas. Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc2 y por supuesto antimateria. En cada colisión del LHC se formarán partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero da tiempo de registrarlas para estudiarlas y eso es lo que sea hará

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Publicado el 3 diciembre 2009 en Ciencia y Tecnología, LHC y etiquetado en , , , , , . Guarda el enlace permanente. 3 comentarios.

  1. Sorprendente y novedosa teoría del campo unificado; no Pudo Einstein ni Hawkings; grave error negar la condición material del Eter por no orientar verticalmente al interferómetro de Michaelson y Morley; consideraban estático al Eter cuando es tremendamente dinamico; se explica: Materia y energía oscura, gravitación como es y funciona macro y microscópicamente el universo bicampo (Material y antimaterial) un modelo de configuración nuclear, no la mora de Jimmy Neutrón como representan al átomo los Físicos; ahhh, es que para deducir hay que ser ingenioso, es que soy Ingeniero mecánico y los físicos teóricos por ello me detestan, la mera piedra en el zapato; espero de mucho se enteren y lo disfruten; inclusive como sintetizar los elementos faltantes (Son 120 en total) y un nuevo y sencillo ordenamiento de la tabla periódica con casualidad? tambien 120 elementos; cómo debe ser y funciona un reactor nuclear abierto de fusión nuclear (Motor de naves espaciales) y muchisimo mas.
    Copiar y pegar en un buscador web; se van a sorprender con el trabajo contentivo de una buena cantidad de animaciones e imáges GIF para su facil comprensión

    http://fundamentos-de-la-fisica-teorica-del-tercer-milenio.es.tl/

    http://universo-bicampo.webnode.com.ve/

    http://www.palimpalem.com/3/Teoria-de-Campo-Unificado/index.html

    http://universo-bicampo-movil-perpetuo.mex.tl/2028038_Teoria-del-Campo-Unificado.html

    https://sites.google.com/site/cosmologiadeltercermilenio/home

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