Esta no es la primera vez que tales correlaciones se han visto en los restos de colisiones; en 2005, los físicos que trabajaban en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Brookhaven National Laboratory en Nueva York descubrieron que las partículas generadas en las colisiones de núcleos de oro tenían una tendencia a extenderse transversalmente en ángulos relativos muy pequeños, cercanos a cero. Una correlación similar se observó en 2010 en colisiones protón-protón y más tarde ese mismo año en colisiones plomo-plomo.
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| Una pantalla de eventos para una alta multiplicidad-p-Pb colisión a 5,02 TeV, grabada por CMS el 13 de septiembre de 2012. (Cortesía: CERN / CMS colaboration) |
Cuando se traza un gráfico de la fracción de partículas en función del ángulo de emisión transversal relativo y el ángulo relativo al eje del haz, la correlación aparece como una cresta distinta. Ahora, este rasgo se ha visto en las colisiones de protones de plomo por primera vez; tras una semana de recolección de datos en el CMS.
Aunque las observaciones de las crestas en diferentes experimentos sugieren una sola causa, los teóricos creen que puede haber más de una explicación. Cuando pares de núcleos (como el oro o plomo) colisionan, se puede producir un medio caliente, denso similar al plasma de quarks y gluones, un tipo de materia que se cree habría existido muy poco después del Big Bang. El movimiento de este plasma probablemente correlaciona las partículas fundamentales en la estructura de caballete.
En colisiones protón-protón, por otra parte, no se espera la formación de un plasma de quark-gluones, por lo que los teóricos han propuesto otras explicaciones. Una idea, presentada por Raju Venugopalan del Brookhaven National Laboratory en los EE.UU. y Dusling Kevin del North Carolina State University en Raleigh, EE.UU., es que la correlación de la cresta es un tipo inusual de entrelazamiento cuántico en el que las partículas generadas llevan la información sobre el estado de protones antes de que esos protones chocaran.
A energías muy altas, los protones pueden fluctuar en estados cuánticos que incorporan no sólo tres quarks -sus constituyentes normales- sino además un enjambre de gluones, los portadores de la fuerza fuerte. Venugopalan y Dusling creen que este enjambre podría haber sido tan denso en las colisiones protón-protón en el CMS que habría alcanzado su “capacidad máxima” -la saturación en otras palabras- y por lo tanto se habría convirtió en un vidrio condensado de color -una forma hipotética y controvertido de materia que podría explicar ciertos problemas en física a altas energías, como por ejemplo cómo las se generan las partículas en las colisiones.
La interpretación del vidrio condensado de color en 2010 del CMS en colisiones protón-protón y su cresta no fue ampliamente aceptada. Sin embargo, poco antes de que los últimos resultados del CMS fueran publicados, Venugopalan y Dusling predijeron que, si existía en las colisiones protón-protón, el condensado también debería existir en colisiones de protones de plomo. En otras palabras, los teóricos predijeron que la cresta en colisiones de protones de plomo debería tener una mayor proximidad en las colisiones protón-protón que en las colisiones plomo-plomo, que son consecuencia de un plasma de quarks y gluones (artículo en arXiv).
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| Estos tres gráficos muestran la correlación entre pares de partículas observadas en el detector CMS. (a) muestra colisiones protón-protón, y la flecha apunta a la cresta, (b) muestra las colisiones plomo-plomo donde una cresta similar surgió una vez más, y (c) indica la más reciente entrega de protones colisiones, donde la cresta es visto una vez más. Δη es el ángulo en que plano medido entre las dos partículas en el plano longitudinal. ΔΦ representa la diferencia entre los ángulos de las dos partículas en cuestión en el plano transversal. R es una función tanto de Δη y ΔΦ. (Cortesía: CERN / CMS colaboración) |
Venugopalan y Dusling aseguran que los nuevos datos del CMS coinciden con su predicción, y están preparando un documento de seguimiento para describir sus conclusiones. “Un análisis más detallado arrojará luz sobre nuestras teorías, y por lo tanto el fascinante comportamiento colectivo de los gluones y sus estados que componen la estructura de la materia a altas energías”, dice Venugopalan.
Sin embargo, otros teóricos pueden tener sus propias interpretaciones de los datos. Escribiendo en un sitio web público de colaboración, los experimentadores del CMS Wei Li y Gunther Roland se refieren a la estructura de la cresta como un fenómeno inexplicable, y esperan más colisiones de protones de plomo en el LHC durante el próximo año, que aumentarán la muestra de datos mil veces. “Combinado con la magnitud sorprendentemente grande de la cresta vista por el CMS, permitirá estudios detallados de correlación y abrir un nuevo campo de pruebas para las preguntas básicas de la física en sistemas de interacción fuerte y la naturaleza del estado inicial de las colisiones nucleares”, escriben .
Referencia:
- Institute of Physics and IOP Publishing
- Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC
- Evidence for BFKL and saturation dynamics from di-hadron spectra at the LHC
- Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC
