Nuevos datos muestran que las fluctuaciones locales en la fuerza nuclear fuerte pueden influir en la orientación del espín de partículas llamadas mesones phi (compuestas por dos quarks unidos por el intercambio de gluones). Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Los hallazgos pueden señalar una influencia previamente desconocida de la fuerza fuerte y una forma de medir sus fluctuaciones locales.
Dada la elección de tres orientaciones de «giro» diferentes, ciertas partículas que emergen de las colisiones en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), un
“Podría ser que las fuertes fluctuaciones de fuerza sean el factor que falta. Anteriormente, no nos habíamos dado cuenta de que la fuerza fuerte puede influir en el giro de las partículas de esta manera”, dijo Aihong Tang, físico de STAR en Brookhaven que participó en el análisis.
Esta explicación aún está sujeta a debate y se necesita más verificación, dicen los físicos de STAR. Pero si resulta ser cierto, “estas medidas nos dan una forma de medir qué tan grandes son las fluctuaciones locales en la fuerza fuerte. Proporcionan una nueva vía para estudiar la fuerza fuerte desde una perspectiva diferente”, dijo Tang.
Las colisiones de iones pesados »derriten» los límites de protones y neutrones individuales, liberando los quarks y gluones normalmente confinados dentro para crear un plasma de quarks-gluones (QGP). Los científicos buscan preferencias de alineación de espín entre las partículas que emergen del QGP mediante el seguimiento de la distribución de sus productos de desintegración en relación con una línea imaginaria trazada perpendicularmente al plano de reacción de los núcleos en colisión. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Desbloqueo de la fuerza fuerte
Como su nombre lo indica, la fuerza fuerte es la más poderosa de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es lo que mantiene unidos los componentes básicos de los átomos: los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, así como su bloques de construcción internos, quarks y gluones.
RHIC, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE para la investigación de física nuclear, se construyó en gran parte para que los científicos puedan estudiar esta fuerza. Lo hacen al aplastar los núcleos de los átomos pesados que se mueven alrededor de los anillos aceleradores gemelos de RHIC en direcciones opuestas a casi la velocidad de la luz. Las colisiones frontales “derriten” los límites de protones y neutrones individuales, liberando los quarks y gluones normalmente confinados dentro para crear un quark-gluon
El seguimiento de pares de kaones con carga positiva y negativa (K+, K-), los productos de descomposición de los mesones phi (Φ), reveló que estos mesones parecen tener preferencia por uno de los tres posibles estados de espín. Un nuevo modelo teórico sugiere que las fluctuaciones locales en la fuerza nuclear fuerte pueden explicar esta preferencia. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Descifrando alineaciones de espín
Las mediciones anteriores de STAR revelaron que cuando los núcleos de oro chocan de una manera algo descentrada, el impacto oblicuo hace que la sopa caliente de quarks y gluones gire. Los científicos midieron la «vorticidad» del plasma de quarks y gluones en remolino rastreando su influencia en los giros de ciertas partículas que emergen de las colisiones.
Puedes pensar en el giro como similar a la rotación de un planeta como la Tierra, con polos norte y sur. Para las partículas de este estudio anterior (hiperones lambda), el grado en que sus ejes de giro se alinean con el momento angular generado en cada colisión descentrada es un indicador directo para medir la turbulencia del QGP.
Los análisis STAR más recientes buscaron medir la alineación de espín de diferentes tipos de partículas, incluidas la phi y la K*0 mesones reportados en el actual Naturaleza papel. Para estas partículas, no hay solo dos orientaciones direccionales para el giro («norte» y «sur»), sino Tres posibles orientaciones.
Al igual que en el estudio anterior, los físicos de STAR midieron la alineación del espín de estas partículas siguiendo la distribución de sus productos de desintegración en relación con la dirección perpendicular al plano de reacción de los núcleos en colisión. Para el phi y K*0 mesones, los científicos traducen esas medidas en una probabilidad de que la partícula madre estuviera en uno de los tres estados de espín.
«Si la probabilidad de cada uno de estos tres estados es igual a un tercio, eso significa que no hay preferencia para que la partícula esté en cualquiera de estos tres estados de alineación de espín», explicó el físico de STAR Xu Sun, ex becario postdoctoral en la Universidad. de Illinois en Chicago, quien recientemente se unió al Instituto de Física Moderna, China, como científico del personal.
Eso es esencialmente lo que los científicos encontraron para el K*0 partículas, sin preferencia. Pero para los mesones phi, hubo una fuerte señal de que se prefería un estado sobre los otros dos.
“De alguna manera, la naturaleza decidió que los mesones phi tienen preferencia al elegir uno de esos estados”, dijo Sun.
Explicando la preferencia
Chensheng Zhou, quien ha trabajado con Tang en estas mediciones desde 2016, cuando era estudiante de posgrado en la Universidad de Fudan en China, presentó los hallazgos preliminares en una conferencia en la Universidad de Stony Brook en 2017. Esa presentación provocó que los teóricos hicieran varios intentos de explique los hallazgos con mecanismos convencionales, incluidos la vorticidad, el campo magnético, la fragmentación y otros. La curiosidad siguió creciendo cuando el colaborador de STAR Subhash Singha del Instituto de Física Moderna discutió el resultado en conferencias en 2019 (cuando era un posdoctorado en la Universidad Estatal de Kent) y 2022.
Mientras tanto, los físicos de STAR verificaron sus análisis, realizaron nuevos análisis y redujeron la incertidumbre de sus resultados.
“Nuestros resultados resistieron este escrutinio, y aún así los números no cuadran”, dijo Tang. Describir la alineación global del espín del mesón phi usando solo los mecanismos convencionales daría como resultado un valor inferior al que los científicos midieron en STAR.
A los teóricos se les ocurrió recientemente la idea de que las fluctuaciones locales en la fuerza fuerte dentro del plasma de quarks-gluones podrían estar impulsando la aparente preferencia de alineación de espín de los mesones phi. Comprender los diferentes componentes de quarks de phi y K*0 los mesones podrían ayudar a explicar cómo sucede esto y proporcionar una forma de realizar más pruebas.
Xin-Nian Wang, teórico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, explicó que cada mesón phi está formado por un quark y un antiquark de la misma familia de «sabor» (extraño y anti-extraño). Los efectos de fuerza fuerte tienden a acumularse e influir en estas partículas del mismo sabor en la misma dirección.
K*0 los mesones, por otro lado, están formados por pares quark-antiquark de diferentes sabores (abajo y anti-extraño). «Con esta mezcla de sabores, la fuerza fuerte apunta en diferentes direcciones, por lo que su influencia no aparecería tanto como en el mesón phi», dijo Wang.
Para probar esta idea, los físicos de STAR planean estudiar la alineación de espín global de otro mesón hecho de quarks del mismo sabor: la partícula J/psi (hecha de quarks charm y anti-charm).
“Esto está en la lista de tareas pendientes de STAR para las ejecuciones de RHIC de 2023 y 2025”, dijo Sun.
Encontrar una preferencia de alineación de espín global para partículas J/psi agregaría apoyo a la explicación de la fuerza fuerte. También validaría el enfoque de usar la alineación de giro global de estas partículas como una forma de estudiar las fluctuaciones locales de fuerza fuerte en el QGP.
“Incluso después de más de 22 años de operación, RHIC continúa mejorando nuestra comprensión de la naturaleza sorprendiéndonos con nuevos descubrimientos”, dijo Tang.
Referencia: «Patrón de alineación de espín global de mesones f y K*0 en colisiones de iones pesados» 18 de enero de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05557-5
Los contribuyentes adicionales a los análisis que llevaron a estos resultados incluyen: Jinhui Chen (Universidad de Fudan), Declan Keane (Universidad Estatal de Kent) y Yugang Ma (Universidad de Fudan).
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias (NP) del DOE, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y una variedad de organizaciones y agencias internacionales enumeradas en el artículo científico. El equipo de STAR usó recursos informáticos en el Centro de Computación y Datos Científicos en Brookhaven Lab, el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y el consorcio Open Science Grid.
