Nuevos picos inesperados en colisiones de protones del plomo en el LHC

Los primeros datos de colisiones de protones de plomo en el experimento Solenoide Compacto de Muones (CMS) desarrollado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN incluyen una “cresta” en la estructura de las correlaciones entre las partículas generadas recientemente. Según teóricos en EE.UU., puede representar una nueva forma de materia conocida como “cristal condensado de color”.

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.

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).

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 .

El trabajo ha sido presentado a Physics Letters B . Y hay una preimpresión disponible en arXiv

Autor: Jon Cartwright

Enlace original: Unexpected “ridge” seen in CMs collision data again