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Primeros resultados del experimento ALICE del LHC

El LHC, comenzó a  primeros de Noviembre a provocar colisiones de iones pesados a 2’76 TeV. Tras varios meses en funcionamiento acelerando y provocando colisiones de protones, ha entrado en la fase de utilización de átomos de plomo a los que se arrancan los electrones. Los físicos teóricos de cuerdas están expectantes por sus resultados. La posibilidad de que los modelos de teoría de cuerdas basados en la dualidad gravedad/gauge permitan predecir nuevas propiedades del plasma de quarks y gluones (QGP) aún por descubrir los tiene a muchos en ascuas.

El trabajo con  iones de plomo abre una nueva fase en el LHC, se busca como era la materia en el universo instantes después del Big Bang. Como ya expliqué en la entrada “Quarks, Gluones y antimateria”, el plasma de quarks y gluones es la sopa cósmica primordial que se cree que ha existido poco después del Big Bang. Uno de los objetivos de esta fase de operación del acelerador es crear materia en ese estado y estudiar su evolución, con ello conoceremos algo más de las interacciones fuertes que mantienen unidos los quarks para formar neutrones y protones. En cada ion de plomo tenemos 82 protones.

El experimento Alice será el encargado del estudio de esas colisiones. Las primeras medidas de las colisiones de iones pesados de mayor energía del mundo han sido publicadas en dos artículos el sitio arXiv.org, Por un lado tenemos los resultados al producir colisiones frontales entre los iones y las que se producen de forma lateral. Cada una ha aportado datos de interés que parece contradicen algunas teorías acerca de cómo se comporta el universo a su nivel más primario. Los resultados son interesantes a pesar de estar conseguidos con un número relativamente pequeño de colisiones con haces de iones de plomo.

En la primera medida, se enumeraron las partículas cargadas que se produjeron con impactos frontales. El resultado demostró que se generaron en torno a 18000 partículas a partir de las colisiones de iones de plomo, hasta ese momento la referencia estaba en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (RHIC), que trabajando con iones de oro y menos energía obtuvo 2,2 veces menos.

Las colisiones de los haces de plomo en el LHC se han realizado a más de 14 veces la energía de las colisiones de iones de oro del RHIC. La mayoría de teorías predecían que aunque se aumentase la energía no significaría un aumento proporcional de colisiones. Existía una línea de pensamiento que apostaba porque había un límite superior a cuántos gluones podrían empaquetarse en un área dada. Por lo que en algún momento, el número de gluones que interactúan o colisionan entre sí estaría saturado, y no se producirían más partículas. Pero las medidas publicadas por los científicos que se encargan del proyecto ALICE demuestran que, si ese límite existiese aún no se ha alcanzado en el LHC.

Imagina que tienes una lente de aumento lo bastante potente para ser capaz de ver un núcleo de plomo”, explica John Harris, de la Universidad de Yale, miembro del experimento ALICE. “Cuando miras al núcleo con un aumento menor, verás tres quarks y unos pocos gluones. Conforme subes el aumento, verás el mismo número de quarks, pero más gluones. Cuando colisionamos a las altas energías del LHC, estamos estudiando tamaños y distancias más pequeñas como con la lente de aumento, y allí los gluones desempeñarán un gran papel en lo que suceda.

En la segunda medida, se observaron las colisiones que no son frontales, sino que impactaban ligeramente descentrados. En esas condiciones se midió como fluye el sistema que se crea con los dos núcleos en colisión, el plasma de quark y gluón. El tipo de flujo, llamado elíptico, también ha sido medido en el RHIC y está relacionado con la fuerza de la interacción entre quarks y gluones con los núcleos. Las predicciones realizadas antes de las operaciones iniciales de RHIC en el año 2000 predecían que el plasma de quarks y gluones se comportaría como un gas. Sin embargo, en abril de 2005, se mostró que la materia producida en el RHIC se comportaba como un líquido, cuyas partículas  interactúan muy fuertemente entre sí. Esta materia líquida ha sido descrita como casi “perfecta” en el sentido de que fluye sin apenas resistencia a la fricción, o viscosidad.

Lo importante sobre cualquier fluido es su viscosidad – su resistencia a fluir, dice el científico de ALICE Peter Jacobs, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Si las partículas del fluido tienen una alta probabilidad de interactuar entre sí, el fluido tiene una viscosidad baja, y viceversa. En el RHIC vimos que un modelo con una viscosidad muy baja parece describir muy bien el flujo elíptico medido

La nueva medida de ALICE demuestra que el flujo elíptico en las colisiones del LHC es mayor que el del RHIC, pero Jacobs advierte que es demasiado pronto para traducir esa medida a una afirmación sobre la viscosidad del plasma de quark-gluón formado en el LHC. Desde luego empieza a tener más fuerza la teoría del líquido “perfecto” ya que aún aumentando la energía de manera tan considerable el plasma sigue sin comportarse como un gas.

En el LHC del CERN no solo está estudiando las colisiones de iones de plomo en el detector ALICE, también están haciéndolo en el ATLAS y CMS. Este último ha logrado detectar por primera vez en la historia un bosón Z generado en las colisiones de iones pesados.

Las colisiones protón-protón en el LHC  se retomarán a finales de Febrero. El modo de operación del LHC para el próximo año todavía tiene que ser discutido en el inicio de año, 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 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).

 

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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