Investigadores de la Universidad Eötvös Loránd están utilizando aceleradores de partículas avanzados para explorar la transformación de la materia quark del universo primitivo en materia ordinaria. Sus técnicas y hallazgos innovadores contribuyen significativamente a nuestra comprensión de la física fundamental y las interacciones fuertes. Crédito: SciTechDaily.com
Sus esfuerzos se centran en mapear la «sopa primitiva» que llenó el universo dentro de la primera millonésima de segundo después de su inicio.
Los físicos de la Universidad Eötvös Loránd investigan a nivel mundial los componentes del núcleo atómico utilizando tres aceleradores de partículas de última generación. Su investigación tiene como objetivo explorar la «sopa primitiva» que existió en el Universo en los microsegundos iniciales después de su formación. Curiosamente, sus hallazgos sugieren que los movimientos de partículas observados son similares a la búsqueda de presas de los depredadores marinos, los patrones del cambio climático y las fluctuaciones del mercado de valores.
En efecto inmediato
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Big Bang, las temperaturas eran tan extremas que los núcleos atómicos no podían existir, ni los nucleones eran sus componentes básicos. Así, en este primer caso, el universo estaba lleno de una «sopa primitiva» de quarks y gluones.
A medida que el universo se enfrió, este medio sufrió una «congelación», lo que llevó a la formación de las partículas que conocemos hoy, como los protones y los neutrones. Este fenómeno se replica a una escala mucho menor en experimentos con aceleradores de partículas, donde las colisiones entre dos núcleos crean pequeñas gotas de materia de quarks. Estas gotas eventualmente se congelan y se convierten en materia normal, una transformación conocida por los investigadores que realizan estos experimentos.
Diferencias en la materia de los quarks.
Sin embargo, las propiedades de la materia de los quarks cambian debido a las variaciones de presión y temperatura provocadas por las fuerzas de colisión en los aceleradores de partículas. Este cambio requiere mediciones para ‘escanear’ la materia en aceleradores de partículas de diferentes energías, como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en EE.UU., o el Super Sincrotrón de Protones (SPS) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza.
«Este punto es tan crucial que se están construyendo nuevos aceleradores en todo el mundo, por ejemplo en Alemania o Japón, especialmente para experimentos de este tipo. Quizás la pregunta más importante es cómo se produce la transición entre fases: puede surgir un punto crítico en el mapa de fases”, explica Mate Xanad, profesor de Física en el Departamento de Física Nuclear de la Universidad Eötvös Loránd (ELTE).
Una combinación de pistas reconstruidas a partir de fotografías de colisiones reales y detectores asociados en el Laboratorio Nacional Brookhaven y el CERN. Crédito: Máté Csanád / Montaje de la Universidad Eötvös Loránd Fotos originales para el montaje: STAR es PENIX: Brookhaven National Laboratory y CMS es NA61: CERN
Un objetivo a largo plazo de la investigación es profundizar nuestra comprensión de la interacción fuerte que gobierna las interacciones en la materia de los quarks y los núcleos atómicos. Nuestro nivel actual de conocimientos en este ámbito es comparable al conocimiento que la humanidad tenía de la electricidad en las eras de Volta, Maxwell o Faraday. Aunque tenía una idea de las ecuaciones básicas, necesitó una cantidad considerable de trabajo experimental y teórico para desarrollar las tecnologías que han transformado profundamente la vida cotidiana, desde la bombilla hasta los televisores, los teléfonos, las computadoras e Internet. Como tal, nuestra comprensión de las interacciones fuertes es todavía embrionaria, y la investigación para explorarlas y mapearlas es vital.
Innovaciones en femtoscopia
Los investigadores de ELTE han participado en experimentos con cada uno de los aceleradores mencionados anteriormente, y su trabajo durante los últimos años ha permitido obtener una imagen completa de la geometría de la materia de los quarks. Lo lograron mediante la aplicación de técnicas de femtoscopia. Esta técnica explota las correlaciones que surgen de la naturaleza ondulatoria no clásica, de tipo cuántico, de las partículas generadas, que en última instancia revela la estructura a escala femtométrica del medio, la fuente emisora de partículas.
Investigadores de la Universidad Eötvös están trabajando en la adquisición de datos del experimento STAR en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Crédito: Máté Csanád / Universidad Eötvös Loránd
«En décadas anteriores, la femtoscopia se realizaba partiendo del supuesto de que la materia de los quarks sigue una distribución normal, es decir, una forma gaussiana que se encuentra en muchos lugares de la naturaleza», explica Morton Nagy, uno de los investigadores principales del grupo.
Sin embargo, los investigadores húngaros recurrieron al proceso de Lévy, que en diversas disciplinas científicas se considera un marco más general y que explica bien la búsqueda de presas por parte de los depredadores marinos, los procesos bursátiles y el cambio climático. Un rasgo característico de estos procesos es que experimentan cambios muy grandes en ciertos momentos (por ejemplo, cuando un tiburón busca alimento en una nueva área), y en tales casos puede ocurrir una distribución de Lévy en lugar de una distribución normal (gaussiana).
Implicaciones y papel de ELTE
Este hallazgo es de gran importancia por varias razones. Principalmente, una de las características más estudiadas de la congelación de la materia quark, que se transforma en materia convencional (hadrónica), es el radio femtoscópico (también conocido como radio HBT, relacionado con el famoso efecto Hanbury Brown y Twiss). astronomía), que se deriva de mediciones femtoscópicas. Sin embargo, esta cantidad depende de la geometría supuesta del medio. Como resume Daniel Kinseys, investigador postdoctoral del grupo: “Si el supuesto gaussiano no es apropiado, los resultados más precisos de estos estudios sólo pueden obtenerse bajo la hipótesis de Lévy. El valor del ‘exponente de Lévy’, que caracteriza la distribución de Lévy, puede arrojar luz sobre la naturaleza de la transición de fase. Por tanto, su variación con la energía de colisión proporciona información valiosa sobre los diferentes niveles de materia de los quarks.
Los investigadores de ELTE participan activamente en cuatro experimentos: NA61/SHINE en el acelerador SPS, PENIX y STAR en RHIC y CMS en el LHC. El grupo NA61/SHINE de ELTE está liderado por Yoshikazu Nagai, el grupo CMS por Gabriela Pastor; y los grupos RHIC Máté Csanád, quien también coordina la investigación sobre femtoscopia de ELTE.
Los grupos están contribuyendo significativamente al éxito de los experimentos en diversas capacidades, desde el desarrollo de detectores hasta la adquisición y análisis de datos. Está involucrado en numerosos proyectos e investigaciones teóricas. «La singularidad de nuestra investigación sobre femtoscopia es que se lleva a cabo en cuatro experimentos en tres aceleradores de partículas, lo que nos brinda una visión amplia de la geometría y las posibles fases de la materia de los quarks», dice Matt Xanad.
Cita: Un método novedoso para calcular funciones de correlación de Bose-Einstein con interacciones de estado final de Coulomb por Morton Nagy, Aletta Purzsa, Matte Xanad y Daniel Kinses, 8 de noviembre de 2023 Revista física europea c.
DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y
