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Jueves, 1 junio 2017
Física

El LHC detecta una gran producción de partículas extrañas en colisiones de protones

En un artículo publicado en Nature Physics, la colaboración internacional ALICE (A Large Ion Collider Experiment) informó sobre la producción abundante de hadrones dotados de cuarks extraños en colisiones protón-protón realizadas en el LHC (Large Hadron Collider), el gran colisionador de partículas ubicado en la frontera franco-suiza. Fue la primera vez que estos objetos, observados con creciente frecuencia en las colisiones de núcleos pesados (plomo-plomo, oro-oro), se detectaron con tamaña abundancia también en el choque de partículas tan livianas como el protón.

 

El estudio que resultó en el artículo publicado, intitulado “Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton–proton collisions”, contó con la participación decisiva de científicos brasileños, especialmente en el caso de David Dobrigkeit Chinellato, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (en el estado de São Paulo), quien actuó como coordinador internacional de uno de los grupos de trabajo de física del ALICE, el grupo “Light Flavour”. Dobrigkeit Chinellato cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco del proyecto intitulado “Producción de extrañeza en colisiones Pb-Pb en la energía de 5.02 TEV del ALICE”.

 

Se considera que la producción abundante de hadrones con cuarks extraños constituye una especie de firma del plasma de cuarks y gluones, un estado extremadamente caliente y denso de la materia que habría existido durante una diminuta fracción de segundo luego del Big Bang y que ahora está recreándose en los dos grandes colisionadores de partículas de la actualidad, el Large Hadron Collider (LHC), en Europa, y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Estados Unidos.

 

“La gran novedad consistió en observar esa producción abundante de hadrones con cuarks extraños en la colisión de sistemas tan pequeños como los protones”, comentó el físico Alexandre Alarcon do Passo Suaide, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, investigador principal del proyecto temático intitulado “Física nuclear de altas energías en el RHIC y LHC”, en cuyo marco la FAPESP suministra apoyo a la participación de los científicos que trabajan en instituciones paulistas en la colaboración ALICE.

 

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Partículas formadas en la colisión de núcleos de plomo y registradas por el detector ALICE, en el LHC/ALICE. (Foto: CERN)

 

“Los fenómenos que caracterizan al plasma de cuarks y gluones están observándose en colisiones de sistemas cada vez menores. Y esto es algo de lo cual hace algunos años no teníamos ni idea que podría suceder”, continuó.

 

La existencia de hadrones con cuarks extraños en las colisiones protón-protón, comunicada ahora por la colaboración ALICE, sugiere que el plasma de cuarks y gluones puede producirse también en el choque de estas partículas sumamente pequeñas y no solamente en la colisión de núcleos pesados plomo-plomo (en el LHC), u oro-oro (en el RHIC), tal como se admitía hasta ahora. Pero los científicos consideran prematuro afirmar esto de manera taxativa. “Es necesario hacer mediciones más detalladas, relacionando los hadrones dotados de cuarks extraños con otros observables y resultantes de la colisión. De este modo podremos añadirles nuevas piezas al rompecabezas hasta llegar eventualmente a la figura completa”, ponderó Alarcon do Passo Suaide.

 

Esta cautela se justifica, entre otros motivos, debido al hecho de que el plasma de cuarks y gluones no puede observarse directamente, dado que es extremadamente efímero. Y en los experimentos realizados en el LHC y en el RHIC, su supuesto tiempo de duración es del orden de 10-23 s, lo cual impide cualquier observación directa. Lo que los investigadores observan efectivamente son los objetos que se forman después de que los cuarks y los gluones dejan de moverse libremente en el plasma y vuelve a ser encapsulados en hadrones.

 

Los resultados ahora divulgados por el ALICE le deben mucho a la actuación del joven científico brasileño David Dobrigkeit Chinellato. “Empecé a pensar en estas mediciones en 2010, cuando cursaba aún mi cuarto año de doctorado. En 2012, 2013 y 2014, varios colegas y yo pasamos un largo tiempo estudiando cómo efectuar las mediciones, qué procedimientos técnicos adoptar para evitar vicios de detección que pudieran ir en detrimento de los resultados. En 2015, el análisis de datos quedó concluido finalmente. E inmediatamente después nos abocamos al proceso de publicación. El resultado fue un artículo de cuatro páginas, pero que requirió mucho tiempo, el trabajo de mucha gente y mucho esfuerzo en su elaboración”, declaró Dobrigkeit Chinellato a Agência FAPESP.

 

“Entre la obtención de los datos y la publicación existe una larga cadena que requiere la participación de mucha gente. Por eso el ALICE reúne a un equipo internacional tan grande, integrado por alrededor de 1.500 personas”, afirmó el investigador. Dobrigkeit Chinellato recordó que este experimento se opera desde una sala de control informatizada situada sobre de la superficie, en tanto que el colisionador propiamente dicho, con sus 27 kilómetros de circunferencia y sus cuatro detectores (ATLAS, CMS, ALICE y LHCb), se ubica bajo tierra: está a 175 metros debajo del nivel del suelo. El investigador participó tanto en la etapa experimental, en la captación de datos, como en el análisis de los datos obtenidos y en la redacción final del artículo.

 

El concepto de “extrañeza” [strangeness, en inglés] fue propuesto en la década de 1950 por Murray Gell-Mann, Abrahan Pais y Kazuhiko Nishijima, para caracterizar a la propiedad que hacía que ciertas partículas sobreviviesen más tiempo que lo esperable. La extrañeza, simbolizada por la letra “S” mayúscula es una propiedad física expresada mediante un número cuántico.

 

El concepto de cuark surgió más tarde, en la década de 1960, postulado independientemente por Murray Gell-Mann y George Zweig. Y en el transcurso de los años, se fueron descubriendo varios tipos de cuarks. Uno de ellos recibió el nombre de “extraño” [strange, en inglés], debido a que su existencia suministra una explicación para la propiedad de la extrañeza. Pasó entonces a simbolizárselo con la letra “s”, minúscula. Éste es uno de los seis cuarks reconocidos en el Modelo Estándar de la Física de Partículas: up [u], down [d], charm [c], strange [s], top [t] y bottom [b]. Su masa es varias veces mayor que la del up y la del down, que componen los protones y los neutrones.

 

Los “hadrones extraños” son partículas mayores que reciben este nombre porque contienen al menos un cuark extraño. Son objetos fugaces tales como el kaón, el lambda, el xi [se pronuncia csi] y el omega, que se volvieron “familiares”, por decirlo de algún modo, en los experimentos con colisiones de núcleos pesados plomo-plomo y oro-oro. Lo que se informó en el estudio publicado en Nature Physics fue que esos hadrones extraños fueron hallados en abundancia inesperada en colisiones protón-protón en las cuales se produjo una elevada cantidad de partículas.

 

“Desde la década de 1980, la abundancia relativa de hadrones extraños ha sido apuntada como una posible firma de la formación del plasma de cuarks y gluones en colisiones centrales de núcleos pesados. Lo que este nuevo estudio demostró fue que estos objetos también se producen en gran abundancia en colisiones protón-protón cuando existe una gran multiplicidad de partículas formadas. La gran multiplicidad de partículas formadas es un indicador del alto nivel de energía que se ha alcanzado en el choque, que se acerca a aquello que se observa en las colisiones centrales núcleo-núcleo”, detalló el físico Marcelo Gameiro Munhoz, coordinador del proyecto temático intitulado “Física nuclear de altas energías en el RHIC y LHC”.

 

“La formación del plasma de cuarks y gluones genera mecanismos que facilitan la producción subsiguiente de hadrones extraños, mecanismos que no estarían presentes de no haber plasma”, explicó Gameiro Munhoz. “Por eso puede considerarse a la detección de hadrones extraños como un indicio, una firma de la formación previa del plasma de cuarks y gluones. Pero podría existir otra explicación no relacionada con el plasma para este aumento de partículas extrañas. En tal caso, deberíamos incluso reinterpretar lo que sucede en las colisiones núcleo-núcleo”, ponderó el coordinador. (Fuente: AGÊNCIA FAPESP/DICYT)

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