La producción de extrañeza en las colisiones relativistas de iones pesados es una característica y una herramienta de diagnóstico de la formación y las propiedades del plasma de quark-gluón (QGP). [1] A diferencia de los quarks up y down , a partir de los cuales se fabrica la materia cotidiana, los sabores de quarks más pesados, como la rareza y el encanto, suelen aproximarse al equilibrio químico en un proceso de evolución dinámica. QGP (también conocido como materia de quarks ) es un ensamblaje localizado que interactúa de quarks y gluones en condiciones térmicas (cinéticas)y no necesariamente equilibrio químico (abundancia). La palabra plasma indica que las partículas cargadas de color (quarks y / o gluones) pueden moverse en el volumen ocupado por el plasma. La abundancia de quarks extraños se forma en procesos de producción de pares en colisiones entre constituyentes del plasma, creando el equilibrio de abundancia química. El mecanismo de producción dominante involucra a los gluones que solo están presentes cuando la materia se ha convertido en un plasma de quarks-gluones. Cuando el plasma de quarks-gluones se desarma en hadrones en un proceso de ruptura, la alta disponibilidad de antiquarks extraños ayuda a producir antimateria que contiene múltiples quarks extraños, que de otra manera rara vez se fabrican. Consideraciones similares son en la actualidad hecho para el más pesado encanto sabor, que se hace en el inicio del proceso de colisión en las primeras interacciones y sólo es abundante en los ambientes de alta energía de CERN 's LHC .
Plasma de quark-gluón en el universo temprano y en el laboratorio
Los quarks libres probablemente existieron en las condiciones extremas del universo temprano hasta aproximadamente 30 microsegundos después del Big Bang, [2] en un gas muy caliente de quarks libres, antiquarks y gluones . Este gas se llama plasma de quarks-gluones (QGP), ya que la carga de interacción de quarks ( carga de color ) es móvil y los quarks y gluones se mueven. Esto es posible porque a alta temperatura el universo primitivo se encuentra en un estado de vacío diferente , en el que la materia normal no puede existir pero los quarks y gluones sí; están desconfinados (capaces de existir de forma independiente como partículas independientes no unidas). Para recrear esta fase desconfinada de la materia en el laboratorio es necesario superar una temperatura mínima, o su equivalente, una densidad mínima de energía . Los científicos logran esto usando colisiones de partículas a velocidades extremadamente altas, donde la energía liberada en la colisión puede elevar las energías de las partículas subatómicas a un nivel extremadamente alto, suficiente para que formen brevemente una pequeña cantidad de plasma de quark-gluón que se puede estudiar en experimentos de laboratorio durante poco más del tiempo que la luz necesita para cruzar la bola de fuego QGP, por lo tanto, alrededor de 10-22 s. Después de este breve tiempo, la gota caliente de plasma de quark se evapora en un proceso llamado hadronización . Esto es así porque prácticamente todos los componentes de QGP fluyen a una velocidad relativista. De esta manera, es posible estudiar condiciones similares a las del Universo temprano a la edad de 10 a 40 microsegundos.
El descubrimiento de este nuevo estado de la materia QGP se ha anunciado tanto en el CERN [3] como en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL). [4] El trabajo preparatorio, que permitió estos descubrimientos, se llevó a cabo en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en Bevalac . [5] Se están construyendo nuevas instalaciones experimentales, FAIR en el GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI) y NICA en JINR. La extrañeza como firma de QGP se exploró por primera vez en 1983. [6] Se está reuniendo evidencia experimental completa sobre sus propiedades. Un trabajo reciente de la colaboración ALICE [7] en el CERN ha abierto un nuevo camino para el estudio de QGP y la producción de extrañeza en colisiones de pp de muy alta energía.
Extrañeza en plasma de quarks-gluones
El diagnóstico y el estudio de las propiedades del plasma de quarks-gluones se pueden realizar utilizando quarks que no están presentes en la materia que nos rodea. El trabajo experimental y teórico se basa en la idea de realce de la extrañeza. Este fue el primer observable de plasma de quarks-gluones propuesto en 1980 por Johann Rafelski y Rolf Hagedorn . [8] A diferencia de los quarks up y down, los núcleos en colisión no provocan la reacción de quarks extraños. Por lo tanto, los quarks o antiquarks extraños observados en los experimentos han sido "recién hechos" a partir de la energía cinética de los núcleos en colisión, siendo los gluones el catalizador. [9] Convenientemente, la masa de quarks y antiquarks extraños es equivalente a la temperatura o energía a la que los protones, neutrones y otros hadrones se disuelven en quarks. Esto significa que la abundancia de quarks extraños es sensible a las condiciones, estructura y dinámica de la fase de materia desconfinida, y si su número es grande se puede suponer que se alcanzaron las condiciones de desconfinamiento. Una firma aún más fuerte de mejora de la extrañeza es la producción altamente mejorada de antibióticos extraños . [10] [11] Koch, Müller y Rafelski presentaron una revisión exhaustiva temprana de la extrañeza como firma de QGP, [12] que se actualizó recientemente. [13] La abundancia de anti-bariones extraños producidos, y en particular anti-omega, permitió distinguir un dominio QGP grande completamente desconfinido [14] de modelos de quarks colectivos transitorios como el modelo de cuerda de color propuesto por Biró, Nielsen y Knoll. [15] La abundancia relativa deresuelve [16] cuestiones planteadas por el modelo canónico de mejora de la extrañeza. [17]
Equilibrio de extrañeza en plasma de quarks-gluones
No se puede suponer que en todas las condiciones el rendimiento de los quarks extraños está en equilibrio térmico. En general, la composición del plasma con sabor a quarks varía durante su vida ultra corta a medida que se cuecen en el interior nuevos sabores de quarks como la rareza. Los quarks up y down de los que se fabrica la materia normal se producen fácilmente como pares quark-antiquark en la bola de fuego caliente porque tienen masas pequeñas. Por otro lado, el siguiente sabor de quark más ligero (quarks extraños) alcanzará su alta abundancia térmica de plasma de quark-gluón siempre que haya suficiente tiempo y que la temperatura sea lo suficientemente alta. [13] Este trabajo elaboró la teoría cinética de la producción de extrañeza propuesta por T. Biro y J. Zimanyi, quienes demostraron que los quarks extraños no podían producirse lo suficientemente rápido por sí solos mediante reacciones quark-antiquark. [18] Se propuso un nuevo mecanismo operativo solo en QGP.
Fusión de gluones en extrañeza
El equilibrio de rendimiento del rendimiento de extrañeza en QGP solo es posible debido a un nuevo proceso, la fusión de gluones, como lo muestran Rafelski y Müller . [9] La sección superior de la figura de los diagramas de Feynman muestra los nuevos procesos de fusión de gluones: los gluones son las líneas onduladas; quarks extraños son las líneas continuas; el tiempo corre de izquierda a derecha. La sección inferior es el proceso en el que el par de quarks más pesado surge del par de quarks más ligero que se muestra como líneas discontinuas. El proceso de fusión de gluones ocurre casi diez veces más rápido que el proceso de extrañeza basado en quarks, y permite lograr un alto rendimiento térmico donde el proceso basado en quarks fallaría durante la duración del "micro-bang". [19]
La proporción de recién producidos pares con los pares de quarks ligeros normalizados —La relación de Wroblewski [20] —se considera una medida de la eficacia de la producción de extrañeza. Esta relación se duplica con creces en las colisiones de iones pesados, [21] proporcionando una confirmación independiente del modelo de un nuevo mecanismo de producción de extrañeza que opera en colisiones que están produciendo QGP.
Con respecto al encanto y el sabor del fondo : [22] [23] las colisiones de gluones aquí ocurren dentro de la fase de materia térmica y, por lo tanto, son diferentes de los procesos de alta energía que pueden sobrevenir en las primeras etapas de las colisiones cuando los núcleos chocan entre sí. Los quarks más pesados, encantadores y de fondo se producen allí predominantemente. El estudio de colisiones nucleares relativistas (iones pesados) de la producción de partículas hadrónicas encantadas y pronto también inferiores — además de la extrañeza — proporcionará una confirmación complementaria e importante de los mecanismos de formación, evolución y hadronización del plasma de quark-gluón en el laboratorio. [7]
Extrañeza (y encanto) hadronización
Estos extraños quarks recién cocinados encuentran su camino hacia una multitud de partículas finales diferentes que emergen a medida que se rompe la bola de fuego de plasma de quarks-gluones calientes, vea el esquema de los diferentes procesos en la figura. Dada la disponibilidad de antiquarks en la "bola de fuego", también se encuentra una multitud de partículas de antimateria que contienen más de un quark extraño. Por otro lado, en un sistema que involucra una cascada de colisiones nucleón-nucleón, la antimateria multi-extraña se produce con menos frecuencia considerando que varios eventos relativamente improbables deben ocurrir en el mismo proceso de colisión. Por esta razón, se espera que el rendimiento de partículas de antimateria extrañas múltiples producidas en presencia de materia de quarks aumente en comparación con las series de reacciones convencionales. [24] [25] Los quarks extraños también se unen con el encanto más pesado y los quarks de fondo que también les gusta unirse entre sí. Así, en presencia de un gran número de estos quarks, se pueden producir partículas exóticas bastante abundantes; algunos de los cuales nunca se han observado antes. Este debería ser el caso en la próxima exploración en el nuevo Gran Colisionador de Hadrones en el CERN de las partículas que tienen encanto y quarks extraños, e incluso quarks inferiores, como componentes. [26]
Extraña decadencia y observación de hadrones
Los quarks extraños son naturalmente radiactivos y se desintegran por interacciones débiles en quarks más ligeros en una escala de tiempo que es extremadamente larga en comparación con los tiempos de colisión nuclear. Esto hace que sea relativamente fácil detectar partículas extrañas a través de las huellas dejadas por sus productos de descomposición. Considere como ejemplo la desintegración de una carga cargada negativamente. barión (verde en la figura, dss), en un pión negativo (
tu
d) y un neutral Λ {\ Displaystyle \ Lambda}
(uds) barión . Posteriormente, eldecae en un protón y otro pión negativo. En general, esta es la firma de la decadencia de un. Aunque lo negativo(sss) barión tiene una topología de desintegración de estado final similar, se puede distinguir claramente de la porque sus productos de descomposición son diferentes.
Medida de la formación abundante de (uss / dss), (sss) y especialmente sus antipartículas es una piedra angular importante de la afirmación de que se ha formado plasma de quarks-gluones. [27] Esta abundante formación se presenta a menudo en comparación con la expectativa escalada de las colisiones protón-protón normales; sin embargo, tal comparación no es un paso necesario en vista de los grandes rendimientos absolutos que desafían las expectativas de los modelos convencionales. [12] El rendimiento general de extrañeza también es mayor de lo esperado si se ha logrado la nueva forma de materia. Sin embargo, considerando que los quarks ligeros también se producen en procesos de fusión de gluones, se espera una mayor producción de todos los hadrones . El estudio de los rendimientos relativos de partículas extrañas y no extrañas proporciona información sobre la competencia de estos procesos y, por tanto, el mecanismo de reacción de la producción de partículas.
Sistemática de la creación de materia extraña y antimateria.
El trabajo de Koch, Muller, Rafelski [12] predice que en un proceso de hadronización de plasma de quark-gluón, la mejora para cada especie de partícula aumenta con el contenido de extrañeza de la partícula. Se midieron las mejoras de las partículas que llevan uno, dos y tres quarks extraños o antiextraño y este efecto fue demostrado por el experimento CERN WA97 [28] a tiempo para el anuncio del CERN en 2000 [29] de una posible formación de plasma de quark-gluón en su experimentos. [30] Estos resultados fueron elaborados por la colaboración sucesora NA57 [31] como se muestra en la mejora de la figura antibaryon. El aumento gradual del realce en función de la variable que representa la cantidad de materia nuclear que participa en las colisiones y, por tanto, en función de la centralidad geométrica de la colisión nuclear favorece fuertemente a la fuente de plasma de quark-gluón sobre las reacciones normales de la materia.
Se obtuvo una mejora similar mediante el experimento STAR en el RHIC . [32] Aquí los resultados obtenidos cuando se consideran dos sistemas de colisión a 100 A GeV en cada haz: en rojo las colisiones Oro-Oro más pesadas y en azul las colisiones Cobre-Cobre más pequeñas. La energía en RHIC es 11 veces mayor en el marco de referencia de CM en comparación con el trabajo anterior del CERN. El resultado importante es que la mejora observada por STAR también aumenta con el número de nucleones participantes. Además, observamos que para los eventos más periféricos con el menor número de participantes, los sistemas de cobre y oro muestran, al mismo número de participantes, la misma mejora que se esperaba.
Otra característica notable de estos resultados, comparando CERN y STAR, es que la mejora es de magnitud similar para las energías de colisión enormemente diferentes disponibles en la reacción. Esta casi independencia energética de la mejora también concuerda con el enfoque del plasma de quark-gluón con respecto al mecanismo de producción de estas partículas y confirma que un plasma de quark-gluón se crea en un amplio rango de energías de colisión, muy probablemente una vez que se alcanza un umbral mínimo de energía. excedido.
ALICE: Resolución de las preguntas pendientes sobre la extrañeza como firma del plasma de quarks y gluones
La altísima precisión de los espectros de partículas (extrañas) y la gran cobertura de momento transversal informado por la Colaboración ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) permite una exploración en profundidad de los desafíos persistentes, que siempre acompañan a la nueva física, y aquí en particular, las preguntas que rodean firma de extrañeza. Entre los desafíos más discutidos ha estado la cuestión de si se mejora la abundancia de partículas producidas o si se suprime la línea base de comparación. Se espera la supresión cuando un número cuántico que de otro modo estaría ausente, como la extrañeza, rara vez se produce. Esta situación fue reconocida por Hagedorn en sus primeros análisis de la producción de partículas [37] y resuelta por Rafelski y Danos. [38] En ese trabajo se demostró que incluso si solo se producían unos pocos pares nuevos de partículas extrañas, el efecto desaparece. Sin embargo, Hamieh et al. [17] quien argumentó que es posible que pequeños subvolúmenes en QGP sean de relevancia. Este argumento se puede resolver explorando firmas experimentales sensibles específicas, por ejemplo, la proporción de partículas extrañas dobles de diferente tipo, como el rendimiento de () en comparación con (). El experimento ALICE obtuvo esta relación para varios sistemas de colisión en una amplia gama de volúmenes de hadronización como se describe por la multiplicidad total de partículas producidas. Los resultados muestran que esta relación asume el valor esperado para un gran rango de volúmenes (dos órdenes de magnitud). A un volumen o multiplicidad de partículas pequeñas, la curva muestra la reducción esperada: () debe ser más pequeño en comparación con () a medida que disminuye el número de pares extraños producidos y, por lo tanto, es más fácil hacer () en comparación con () que requiere dos pares como mínimo. Sin embargo, también vemos un aumento a un volumen muy alto; este es un efecto al nivel de una o dos desviaciones estándar. Petran et al. Ya reconocieron resultados similares antes. . [dieciséis]
Otro resultado de ALICE muy elogiado [7] es la observación de la misma mejora de la extrañeza, no solo en AA (núcleo-núcleo) sino también en colisiones pA (protón-núcleo) y pp (protón-protón) cuando los rendimientos de producción de partículas se presentan como una función de la multiplicidad, que, como se señaló, corresponde al volumen de hadronización disponible . Los resultados de ALICE muestran una suave dependencia del volumen del rendimiento total de todas las partículas estudiadas en función del volumen, no hay supresión "canónica" adicional. [17] Esto es así debido a que el rendimiento de pares extraños en QGP es suficientemente alto y rastrea bien el aumento de abundancia esperado a medida que aumenta el volumen y la vida útil de QGP. Este aumento es incompatible con la hipótesis de que para todos los volúmenes de reacción, QGP está siempre en equilibrio químico (rendimiento) de extrañeza. En cambio, esto confirma el modelo cinético teórico propuesto por Rafelski y Müller . [9] No todos esperaban la producción de QGP en colisiones pp, pero no debería ser una sorpresa. El inicio del desconfinamiento es, naturalmente, una función tanto de la energía como del tamaño del sistema de colisión. El hecho de que con energías extremas del LHC crucemos este límite también en experimentos con los sistemas de colisión elementales más pequeños, como pp, confirma la fuerza inesperada de los procesos que conducen a la formación de QGP. El inicio del desconfinamiento en pp y otras colisiones de sistemas "pequeños" sigue siendo un tema de investigación activo.
Más allá de la extrañeza, la gran ventaja que ofrece la gama de energía LHC es la abundante producción de encanto y sabor de fondo . [22] Cuando se forma QGP, estos quarks están incrustados en una alta densidad de extrañeza presente. Esto debería conducir a una producción copiosa de partículas pesadas exóticas, por ejemplo
D
s. También es probable que aparezcan otras partículas de sabor pesado, algunas que ni siquiera se han descubierto en este momento. [39] [40]
Colisiones SS y SW en SPS-CERN con energía de proyectil de 200 GeV por nucleón en un objetivo fijo
Mirando hacia atrás al comienzo del programa de iones pesados del CERN, uno ve anuncios de facto de descubrimientos de plasma de quarks-gluones. Se anuncian las colaboraciones experimentales CERN- NA35 [25] y CERN-WA85 [42]formación en reacciones de iones pesados en mayo de 1990 en la Conferencia Quark Matter, Menton , Francia . Los datos indican una mejora significativa de la producción de esta partícula de antimateria que comprende un quark antienvejecimiento así como quarks antiup y antidown. Los tres componentes delLas partículas se producen nuevamente en la reacción. Los resultados de WA85 estaban de acuerdo con las predicciones teóricas. [12] En el informe publicado, WA85 interpretó sus resultados como QGP. [43] NA35 tenía grandes errores sistemáticos en sus datos, que se mejoraron en los años siguientes. Además, la colaboración necesaria para evaluar el fondo de pp. Estos resultados se presentan en función de la variable denominada rapidez que caracteriza la velocidad de la fuente. El pico de emisión indica que las partículas de antimateria formadas adicionalmente no se originan en los núcleos en colisión en sí mismos, sino en una fuente que se mueve a una velocidad correspondiente a la mitad de la rapidez del núcleo incidente que es un centro común del marco de impulso de fuente de referencia formada cuando ambos núcleos chocan, es decir, la bola de fuego de plasma de quark-gluón caliente.
Entrometerse proporción y el inicio del desconfinamiento
Una de las preguntas más interesantes es si existe un umbral en la energía de reacción y / o el tamaño del volumen que deba superarse para formar un dominio en el que los quarks puedan moverse libremente. [44] Es natural esperar que si existe tal umbral, los rendimientos / proporciones de partículas que hemos mostrado anteriormente deberían indicarlo. [45] Una de las firmas más accesibles sería el índice de rendimiento relativo de Kaon . [46] Se ha predicho una posible estructura, [47] y de hecho, se observa una estructura inesperada en la proporción de partículas que comprenden el kaon positivo K (que comprende anti-quarks y up-quark) y partículas positivas de pion , visto en figura (símbolos sólidos). El CERN NA49 ha informado de la subida y bajada (símbolos cuadrados) de la relación . [48] [49] La razón por la que las partículas de kaon negativas no muestran esta característica de "cuerno" es que los quarks-s prefieren hadronizar ligados en la partícula Lambda, donde se observa la estructura contraparte. El punto de datos de BNL-RHIC-STAR (estrellas rojas) en la figura concuerda con los datos del CERN.
En vista de estos resultados, el objetivo del experimento NA61 / SHINE en curso en el CERN SPS y la ejecución de baja energía propuesta en BNL RHIC donde, en particular, el detector STAR puede buscar el inicio de la producción de plasma de quark-gluón en función de la energía en el dominio donde se ve el máximo de cuerno, con el fin de mejorar la comprensión de estos resultados, y para registrar el comportamiento de otros observables plasmáticos de quark-gluones relacionados.
panorama
La producción de extrañeza y su potencial diagnóstico como firma del plasma de quark-gluón se ha discutido durante casi 30 años. El trabajo teórico en este campo hoy se centra en la interpretación de los datos generales de producción de partículas y la derivación de las propiedades resultantes de la mayor parte del plasma de quarks-gluones en el momento de la ruptura. [33] La descripción global de todas las partículas producidas puede intentarse basándose en la imagen de la gota caliente hadronizada de plasma de quark-gluón o, alternativamente, en la imagen de la materia hadrónica confinada y equilibrada. En ambos casos, uno describe los datos dentro del modelo estadístico de producción térmica, pero diferencias considerables en los detalles diferencian la naturaleza de la fuente de estas partículas. A los grupos experimentales que trabajan en el campo también les gusta desarrollar sus propios modelos de análisis de datos y el observador externo ve muchos resultados de análisis diferentes. Hay hasta 10-15 especies de partículas diferentes que siguen el patrón predicho para el QGP en función de la energía de reacción, la centralidad de la reacción y el contenido de extrañeza. A energías de LHC aún más altas, la saturación del rendimiento de extrañeza y la unión a un sabor fuerte abren nuevas oportunidades experimentales.
Conferencias y reuniones
Los científicos que estudian la extrañeza como firma del plasma de quarks gluones presentan y discuten sus resultados en reuniones especializadas. Bien establecida está la serie International Conference on Strangeness in Quark Matter, organizada por primera vez en Tucson , Arizona , en 1995. [50] [51] La última edición, del 10 al 15 de junio de 2019, de la conferencia se celebró en Bari, Italia, y unos 300 participantes. [52] [53] Un lugar más general es la conferencia Quark Matter, que tuvo lugar por última vez del 4 al 9 de noviembre de 2019 en Wuhan , China , y atrajo a 800 participantes. [54] [55]
Otras lecturas
- Breve historia de la búsqueda de estructuras críticas en colisiones de iones pesados, Marek Gazdzicki, Mark Gorenstein, Peter Seyboth, 2020. [5]
- Descubrimiento del plasma de quarks-gluones: diarios de extrañeza, Johann Rafelski, 2020. [33]
- Cuatro experimentos de iones pesados en el CERN-SPS: Un viaje por el camino de la memoria, Emanuele Quercigh, 2012. [56]
- Sobre la historia de la producción de partículas múltiples en colisiones de alta energía, Marek Gazdzicki, 2012. [57]
- Extrañeza y plasma de quarks-gluones: treinta años de descubrimiento, Berndt Müller, 2012. [58]
Ver también
- Plasma de quark-gluón
- Materia de quarks
- Hadronización
- Extraño
- Partícula extraña
Referencias
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Fig. 10
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La figura es una reelaboración de la figura original que aparece en la parte superior de la página 271.
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