Shine bright like a diamond quark-gluon plasma
l uso de la luz visible, y en general, de las ondas electromagnéticas, se ha convertido en la herramienta por excelencia para el entendimiento de las leyes fundamentales del universo, tanto en la física teórica como en la experimental: en la búsqueda de una teoría que mantuviera invariante las ecuaciones del electromagnetismo que describen a la luz, Albert Einstein encuentra su Teoría de la Relatividad Especial, revolucionando los conceptos de espacio, tiempo, masa y energía [1]; los estudios teóricos de Planck, Bohr y Heisenberg, entre otros, alrededor de la absorción y emisión de luz por parte de gases y cuerpos calientes, culminaron en la creación de la Mecánica Cuántica que provee nuevas leyes que gobiernan la física a nivel microscópico [2-6]; las observaciones del corrimiento de la longitud de onda de la luz emitida por galaxias, fueron las primeras pruebas que dio Hubble en cuanto a la expansión del universo [7]. De acá sigue un largo etcétera, que abarca estudios médicos, biológicos e instrumentales, en donde la interacción de la luz con la materia es el tema central.
Un lector minucioso habría notado tres elementos esenciales en el título de este artículo: que hablaría de partículas fundamentales (quarks y gluones), de estados de la materia (plasma) y que poseo cierto gusto por los iconos pop del momento. Pero ¿qué tiene que ver todo eso con la luz? Para responder dicha pregunta, permítanme hacer un recorrido rápido por los dos primeros elementos que mencioné, y así aclarar los conceptos necesarios para el tema que quiero presentar: los mecanismos de emisión de luz del plasma de quarks y gluones.
La descripción actual de la composición de la materia en nuestro universo (de hecho, sólo de alrededor de 2%: El resto no sabemos ni qué es y mucho menos cómo describirla), se basa en el Modelo Estándar, el cual describe los ladrillos fundamentales que se necesitan para construir lo que denominamos materia ordinaria y el pegamento que los mantiene unidos. Estos ladrillos fundamentales son los quarks y los leptones, cada uno con su respectiva antipartícula.
Existen seis tipos de quarks (los llamamos seis sabores), que se unen para formar hadrones. Estos últimos se dividen en dos categorías: los mesones, que son formados por un quark y un anti-quark y los bariones, conformados por tres quarks. El neutrón y el protón son ejemplos de bariones, mientras que el pión es un ejemplo de mesón. Por su lado, los leptones vienen en tres generaciones y cada generación está formada por una partícula cargada (el electrón, el muón y el tauón) y un neutrino sin carga y muy poca masa, asociado a las anteriores. Así, encontramos el electrón-neutrino, el muón-neutrino y el el tauón-neutrino. Cada una de las partículas mencionadas cumple un papel dependiendo del pegamento con que se una a las demás. Estos pegamentos describen tres de interacciones fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la interacción fuerte y la interacción débil. La gravedad aún se resiste a ser cuantizada. FIG_1 (Esquema de las partículas fundamentales según el Modelo Estandar. Imagen tomada de Wikipedia [10])
El electromagnetismo tiene que ver con los efectos eléctricos/magnéticos entre cargas y con las propiedades de la luz. La partícula que lleva la información de esta fuerza es el fotón: una partícula sin masa que viaja a la velocidad de la luz. La interacción fuerte es la responsable de tener unidos a los quarks y a toda partícula que tenga carga de color (es sólo un nombre para denominar a una propiedad similar a la carga eléctrica). Los mensajeros son los gluones: partículas sin carga eléctrica (por lo que no gozan de interacciones electromagnéticas), sin masa y con carga de color, por lo también sienten la interacción fuerte. Finalmente, la interacción débil da cuenta de la transformación de unas partículas en otras, por ejemplo, después de un cierto tiempo, un neutrón aislado se desintegra en un electrón más un protón más un anti-electrón-neutrino. Quienes comunican la interacción débil son los bosones W+, W y Z: los tres son partículas muy pesadas (más que el núcleo de hierro), las dos primeras tienen carga eléctrica positiva y negativa, respectivamente, por lo que también interactúan con el fotón, mientras que el Z es neutro y no sufre de los efectos electromagnéticos. Estos bosones no poseen carga de color (no interactúan fuertemente) y pueden cambiarle el sabor a los quarks y pasar de un leptón cargado a su correspondiente neutrino, de ahí que transmuten una partícula en otra.
A las interacciones descritas, es necesario añadirle una campo extra, denominado el campo de Higgs, cuya partícula mediadora, el bosón de Higgs, da la masa a las partículas: el fotón y los gluones no interactúan con éste campo, por lo cual no tienen masa, mientras que los bosones de la interacción débil si lo hacen y en una tasa elevada, por lo cual son muy masivos [8, 9].
Dejando por un momento a las partículas, hablaré de las transiciones de fase de la materia. Básicamente una transición de fase es el cambio global de sus propiedades ó de su estado de agregación, cuando se cambian parámetros externos. En este punto, es necesario aclarar que la palabra estado hace referencia a la agregación de la materia (sólido, líquido, gaseoso, plasma), mientras que la palabra fase habla de las propiedades físicas globales del sistema a analizar. Un ejemplo de dos fases distintas son los metales superconductores: a temperatura ambiente un metal puede conducir cierta cantidad de electricidad, que es frenada por un parámetro intrínseco denominado resistencia. Cuando este tipo de metales están a bajas temperaturas, la resistencia eléctrica cae a cero, convirtiéndose en un super conductor. Ambas fases son distintas (conductor/super conductor), pero están en el mismo estado (sólido).
En este artículo, el estado de plasma es el que nos interesa. Un plasma se de fine como un gas de partículas cargadas eléctricamente, que en conjunto no están compensadas para formar un sistema neutro. Los plasmas se forman a altas temperaturas, cuando los átomos quedan totalmente ionizados, dejando a sus núcleos positivos y electrones negativos como partículas libres en un volumen determinado. Los rayos, las lámparas halógenas o la super cie del Sol son ejemplos del estado plasma. En la FIG_2 se observa una lámpara de plasma. (Figura tomada de www.lucnix.be).
De todo lo anterior, resulta de forma natural una pregunta:¿existen transiciones de fase en la materia nuclear? La respuesta es un rotundo si, sólo que hay que entender de qué tipo de transición se está hablando
Una forma de hacer cambios de estado de una sustancia, consiste en ponerla en un foco térmico: a medida que cambias la temperatura, tu sustancia pasaría de un estado sólido, a un estado líquido, luego a un gas y si es lo su ficientemente alta, lo podrías ionizar, quedándote con un plasma. Ahora bien, a nivel nuclear, un plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés) se logra de forma similar, calentando los núcleos atómicos hasta que éstos liberen sus constituyentes fundamentales, es decir, los quarks y los gluones [11]. El inconveniente resulta en cómo aumentar la temperatura de objetos de tan minúsculo tamaño.
Ilustración de Paloma Chamorro
Para nuestra conveniencia, los físicos experimentales desarrollaron un método con el cual se pueden calentar los núcleos atómicos a temperaturas tales que puedan fundirse en sus componentes básicos: acelerar dos núcleos en direcciones contrarias, a velocidades cercanas a las de la luz, para luego hacerlos chocar, poniendo una cantidad de energía enorme un un volumen muy pequeño, que se traduce en elevadas temperaturas del orden de las existentes en el universo temprano [12]. Cuando se realizan este tipo de experimentos, se ha determinado que una nueva fase de la materia emerge (el QGP) y que entre otras cualidades interesantes, nos habla de una transición de fase quiral : se pasa de un estado en donde los quarks masivos ya no forman hadrones y pasan a ser libres, con la novedad de que en este estado de QGP ¡ya no tienen masa! Un reto actual consiste en determinar las variables que permiten obtener dicho estado y en qué valores se da dicha transición de fase, construyendo un diagrama de fases como el de la FIG_3.( Esquema del diagrama de fases de la materia nuclear. para cada valor de de temperatura y densidad bariónica (cantidad de bariones por unidad de volumen) existe la fase hadrónica ó la fase de QGP. Las regiones encerradas muestran los valores experimentales a los cuales se tienen acceso en los grandes experimentos como LHC y RHIC [14].) El grupo de investigación al cual pertenezco se ha unido a dicha labor, obteniendo interesantes resultados en la búsqueda de este diagrama [13].
Volvamos a la pregunta central de este artículo: ¿por qué y cómo el QGP emite luz? Para responderla, centrémonos en la FIG_4 (etapas en una colisión de iones pesados y los posibles mecanismos de producción de fotones [15]), en donde se han esquematizado las distintas etapas que se dan en una colisión de iones pesados y los posibles mecanismos de producción de fotones (partículas de luz) en cada una de ellas. En la primera etapa de la colisión, los núcleos cargados positivamente (representados por dos discos de partículas, dado que sufren contracción de Lorentz en la dirección de movimiento) intercambian fotones, dado que interactúan electromagnéticamente, produciendo los que se denomina como promp photons (fotones rápidos o tempranos). En el momento que ambos núcleos colisionan y las miles de partículas interactúan en una región de pre-equilibrio, se cree que también se producen fotones debido a los efectos de frenado de las cargas aceleradas, el cual es un mecanismo de radiación conocido desde la época de Maxwell. En la fase de equilibrio térmico o QGP, la producción de fotones está asociada con partículas que viajan por este medio, depositando energía e interactuándo con los quarks y gluones libres. En esta etapa aún se tiene mucha incertidumbre de qué es lo que en realidad sucede y la única forma de calcular la produccién de luz es suponiendo que el QGP es como un líquido y usar ideas de la hidrodinámica relativista.
Y aunque dicho enfoque ha sido exitoso, es una aproximación de bulto, es decir, no le interesan las propiedades individuales de las partículas del QGP, por lo que hay física que se pierde en el transcurso de los cálculos. Finalmente, dado que el sistema se expande y por lo tanto se enfría, los quarks vuelven a unirse en hadrones (no existen quarks libres y aislados), en una etapa denominada hadronización. Acá se producen fotones provenientes del plasma, pero de muy baja energía y una cascada de muchas partículas (piones, kaones, protones, etc..) los cuales pueden interactuar electromagnéticamente o decaer en otras partículas más estables, produciendo de nuevo fotones. Si nos hacemos una imagen mental de todo el proceso, es lógico pensar en una pequeña región del espacio que va brillando a medida que suceden todos los procesos que describo. Lo peculiar de este tipo de eventos es que suceden en escalas de tiempo minúsculas: desde la colisión hasta la hadronización pasan alrededor de <10 elevado a la menos 20 = 0:00000000000000000000001 segundos!. Para hacerse una idea: lo que dura un parpadeo (del orden de un segundo) es unas cien mil trillones de veces la duración de una colisión. Más que un brillo, yo lo llamaría un flashazo.
Ilustración de Paloma Chamorro
En la FIG_5 (Número de fotones medidos experimentalmente en función de su energía, comparados con modelos teóricos que tratan de describir los mecanismos de producción de luz en colisiones de núcleos de Oro), se muestran los datos medidos por la colaboraciones STAR (recuadros verdes) y PHENIX (recuadros rojos) para la cantidad de fotones (en el eje vertical) como función de la energía de los mismos (en el eje horizontal), además de las predicciones teóricas de distintos modelos. En dichos modelos, se han tenido en cuenta los fotones rápidos (línea negra), los fotones térmicos calculados en la etapa en donde ya hay QGP (línea punteada azul) y la suma de todas las contribuciones teóricas (línea verde) [16]. Como se puede observar, los cálculos teóricos están algo alejados de los resultados experimentales. De ser la teoría consistente con el fenómeno, la razón datos/teoría del cuadri inferior debería ser igual o muy cercana a 1, y las líneas de la parte superior se deberían superponer con los datos. Conclusión: los modelos teóricos actuales no son sufi cientes para describir las condiciones en las cuales se producen fotones en una colisión de iones pesados.
Finalizando, me queda por contar que actualmente se están haciendo nuevas propuestas para añadir a los cálculos hidrodinámicos mecanismos extra de producción de fotones. Particularmente, en el grupo de investigación en donde trabajo hemos propuesto un mecanismo en donde se considera que antes del estado de equilibrio térmico, es necesario tener en cuenta los campos magnéticos producidos por la parte de los iones que no colisiona, ya que son cargas en movimiento. Dado que el estado de pre-equilibrio térmico es de corta duración en las escalas relevantes a la colisión, los campos magnéticos son de gran intensidad en esa etapa y dan lugar a procesos de producción de fotones que sin campo magnético están prohibidos: puntualmente, hemos hecho cálculos en los cuales dos gluones se pueden fusionar para generar un fotón. Estos cálculos se han llevado a cabo a primera aproximación, dado buenos resultados para el exceso de fotones que los restantes modelos no pueden reproducir [17].
[1] A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Korper, Ann. Phys. 17, 891{921 (1905).
[2] M. Planck, Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum. Ann. Phys., 309 553{563 (1901).
[3] N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules, Part I, Philos. Mag., 26 (151): 1{24 (1913).
[4] N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules, Part II, Philos. Mag., 26 (153): 476{502 (1913).
[5] N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules, Part III, Philos. Mag., 26 (155): 857{875 (1913).
[6] W. Heisenberg, Uber quantentheoretishe Umdeutung kinematisher und mechanischer Beziehungen, Z. Phys., 33, 879{893, (1925).
[7] Edwin Hubble, A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, PNAS. 15 (3): 168{173 (1929).
[8] W. N. Cottingham and D. A. Greenwood, An Introduction to the Satandard Model of Particle Physics, Cambridge University Press (1998).
[9] B. R. Martin and G. Shaw, Particle Physics, Second Edition, John Wiley and Sons Ltd (2003).
[10] Standard Model, https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model. Para explicaciones más detalladas, recomiendo los siguientes videos:
[11] Una breve explicación de este estado de la materia nuclear puede visualizarse en el siguiente video: https://www.youtube.com/watch?v=Rk9KZLaVItI.
[12] Una animación de cómo se aceleran las partículas y núcleos puede encontrarse en https://www.youtube.com/watch?v=NhXMXiXOWAA.
[13] Alejandro Ayala, Jorge David Casta~no-Yepes, J. J. Cobos-Martínez, Saúl Hernández-Ortiz, Ana Julia Mizher and Alfredo Raya, Chiral symmetry transition in the linear sigma model with quarks: Counting e ective QCD degrees of freedom from low to high temperature, Int. J. Mod. Phys. A 31, 1650199 (2016).
[14] Figura tomada de www.phys.org
[15] Figura tomada de https://u.osu.edu/vishnu/2015/07/22/photon-emission-from-relativistic-heavy-ion-collisions/
[16] Jean-François Paquet, Chun Shen, Gabriel S. Denicol, Matthew Luzum, Bjorn Schenke, Sangyong Jeon, and Charles Gale, Production of photons in relativistic heavy-ion collisions, Phys. Rev. C 93, 044906 (2016).
[17] Alejandro Ayala, Jorge David Castano-Yepes, C. A. Dominguez, L. A. Hernandez, Thermal photon production from gluon fusion induced by magnetic elds in relativistic heavy-ion collisions, e-print: arXiv:1604.02713v1
