Los tres grandes experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han grabado las colisiones de iones pesados, tras tres semanas desde el inicio de las operaciones, y los datos ofrecen una nueva perspectiva sobre el tipo de materia que habría existido en los primeros instantes del Universo. Los experimentos ATLAS y CMS han realizado la primera observación directa de un fenómeno de pérdida de energía en los chorros de partículas conocido como jet quenching, que se publicará en la la revista Physical Review Letters.
Después de menos de tres semanas de funcionamiento colisionando iones pesados, los tres experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que graban estas colisiones han conseguido datos que ofrecen una nueva perspectiva sobre el tipo de materia que habría existido en los primeros instantes del Universo. Los experimentos ATLAS y CMS han realizado la primera observación directa de un fenómeno conocido como jet quenching, una pérdida de energía en los chorros de partículas producidos en las colisiones. Este resultado aparece en un artículo de la colaboración ATLAS que ayer fue aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters. La toma de datos con iones seguirá en el LHC hasta el 6 de diciembre.
Uno de los objetivos principales del programa de iones de plomo en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) es la creación de materia como habría sido en el nacimiento del Universo. En aquel entonces, la materia ordinaria de la cual estamos hechos nosotros y el universo visible, no podría haber existido, ya que se daban unas condiciones demasiado calientes y turbulentas para que los quarks, confinados por los gluones, pudieran constituirse en protones y neutrones, los bloques que conforman el núcleo de los átomos.
En su lugar, estas partículas elementales vagaban libremente en lo que los científicos llaman “plasma de quarks y gluones”. Así, la producción y estudio de este plasma de quarks y gluones aportará importantes conocimientos sobre la evolución de los inicios del universo, y la naturaleza de la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales que domina la naturaleza y que es resposable de que los quarks se mantengan unidos formando protones, neutrones y en última instancia, todos los núcleos de la tabla periódica de los elementos.
Cuando chocan iones de plomo en el LHC, pueden concentrar la energía en un volumen lo suficientemente pequeño para producir pequeñas gotas de este estado primordial de la materia, que señalan su presencia por una amplia gama de señales medibles. Dos artículos publicados recientemente por la colaboración ALICE apuntan a un gran aumento en el número de partículas producidas en las colisiones en comparación con los experimentos anteriores, y confirman que el plasma mucho más caliente producido en el LHC se comporta como un líquido de muy baja viscosidad (un fluido perfecto), en consonancia con anteriores observaciones del colisionador RHIC de Brookhaven. En conjunto, estos resultados ya han descartado algunas teorías acerca de cómo se comportó el Universo primordial.
Sin embargo, la gran capacidad de medir la energía producida en las colisiones de los experimentos ATLAS y CMS les permite medir con mucha precisión los “chorros” de partículas que surgen de las colisiones. Estos chorros (“jets”, en la palabra inglesa) se forman cuando los componentes básicos de la materia, los quarks y los gluones, se alejan del punto de colisión. En las colisiones de protones, los jets suelen aparecer en parejas, en direcciones opuestas y energías similares. Sin embargo, en las colisiones de iones pesados los chorros interactúan con las condiciones tumultuosas del medio denso y caliente formado por el plasma de quarks y gluones. Esto produce una señal muy característica, conocida como “jet quenching”, en la que la energía de los chorros puede ser severamente degradada, lo que indica que se producen interacciones con el medio más intenso que haya visto antes en un experimento. Así, el enfriamiento del jet es una poderosa herramienta para estudiar el comportamiento del plasma en detalle.
Manifestación clara del frenado de los jets de partículas
“Esta observación es muy importante, es la primera vez que se manifiesta claramente el fenómeno del enfriamiento o frenado de los jets de partículas, lo cual aporta evidencias de la existencia del plasma de quarks y gluones que estamos buscando con este tipo de colisiones entre iones pesados”, explica Carmen García, investigadora del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia que participa en el experimento ATLAS.
"ATLAS es el primer experimento que reporta una observación directa de este fenómeno de enfriamiento del jet", comenta la portavoz de ATLAS Fabiola Gianotti. "La excelente capacidad de ATLAS para determinar las energías de chorro nos permitió observar un notable desequilibrio en las energías de pares de jets, donde uno de ellos es casi absorbido por completo por el medio. Es un resultado muy interesante del que la colaboración se siente orgullosa, obtenido en un tiempo muy corto gracias en particular a la dedicación y el entusiasmo de los jóvenes científicos".
"La extinción de los jets de partículas aparecieron en nuestros datos en los primeros días de las colisiones de iones de plomo”, dijo el portavoz del experimento CMS Guido Tonelli, “mientras que otras características llamativas, como la observación de las partículas Z (una de las partículas mediadoras de la interacción nuclear débil), nunca antes vistas en colisiones de iones pesados, están bajo investigación”.
Para Teresa Rodrigo, la investigadora del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto CSIC y Universidad de Cantabria y presidenta del consejo de CMS, “las imágenes casi hablan por sí solas. Este tipo de sucesos producidos en colisiones de iones pesados son de una extrema complejidad y con signaturas espectaculares. Este resultado, junto con otros estudios en marcha, consolida observaciones de otros colisionadores y proporcionan mejor comprensión de estos fenómenos”.
Las mediciones de ATLAS y CMS anuncian una nueva era en el uso de jets para investigar el plasma de quarks gluones. El ‘jet quenching’ y otras medidas de los tres experimentos del LHC (ATLAS, CMS y ALICE) proporcionará información de gran alcance en las propiedades del plasma primordial y las interacciones entre sus quarks y gluones.
La toma de datos continuará una semana más, por lo que la comunidad científica que se ocupa del estudio de las colisiones de iones pesados en el LHC está a la espera de poder analizar los datos obtenidos, lo que contribuirá en gran medida a la aparición de un modelo más completo de plasma de quarks y gluones, y por lo tanto a entender mejor la edad temprana del Universo.
"Es impresionante lo rápido que los experimentos han llegado a estos resultados, que se ocupan de la física muy complejo", dijo el director de Investigación del CERN, Sergio Bertolucci. "Los experimentos están compitiendo entre sí para publicar en primer lugar, pero trabajando juntos para obtener la imagen completa y cotejarla con los resultados. Es un bello ejemplo de cómo la competencia y la colaboración es una característica clave de este campo de investigación."
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