Evidence of nuclear geometry-driven anisotropic flow in OO and Ne$-$Ne collisions at $\mathbf{\sqrt{{\textit s}_{\rm\mathbf {NN}}}}$ = 5.36 TeV

En los primeros instantes del universo, justo después del Big Bang, la materia existía en un estado distinto a cualquier cosa que veamos hoy en día. Era una sopa sumamente caliente y agitada de partículas fundamentales llamadas quarks y gluones, que normalmente se unen para formar protones y neutrones. Los físicos llaman a este estado plasma de quarks y gluones. Para entender cómo se comportaba esta sopa primordial, los científicos chocan núcleos atómicos pesados a casi la velocidad de la luz, recreando estas condiciones extremas durante un instante fugaz. Cuando estas colisiones ocurren, las partículas salen disparadas en patrones específicos. Si las partículas se mueven juntas de manera coordinada, fluyendo como un líquido en lugar de rebotar entre sí como bolas de billar, esto sugiere que se ha formado una diminuta gota de este plasma. Este movimiento coordinado se conoce como "flujo", y es una de las evidencias más sólidas de que la materia creada en estas colisiones se comporta como un fluido casi perfecto.

Durante décadas, los investigadores se centraron en hacer chocar los átomos más pesados disponibles, como el plomo o el oro, para crear las gotas más grandes posibles de este plasma. Sin embargo, persistía una pregunta: ¿podría formarse tal fluido en colisiones mucho más pequeñas, involucrando átomos más ligeros? Si la gota es demasiado pequeña, podría no tener suficiente tiempo o espacio para desarrollar este comportamiento de tipo fluido. Para responder a esto, los científicos recurrieron a dos átomos ligeros específicos: el oxígeno y el neón. Aunque ambos son pequeños, tienen formas internas diferentes. Los átomos de oxígeno están dispuestos en un patrón geomético específico y rígido, mientras que los átomos de neón tienen una forma similar a la de un bolo de bolos. Al hacer chocar estos átomos contra sí mismos, los investigadores pudieron probar si la forma específica de los átomos iniciales deja una huella en el flujo final de las partículas, demostrando que incluso en estos sistemas diminutos, la materia se comporta colectivamente.

La colaboración ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones realizó recientemente las primeras mediciones de este fenómeno en colisiones de núcleos de oxígeno y neón. Recopilaron datos de miles de millones de colisiones de oxígeno-oxígeno y cientos de millones de colisiones de neón-neón, todas ocurriendo a una energía de centro de masa por par de nucleones de 5.36 TeV. El equipo se centró en medir cómo se dispersan las partículas en diferentes direcciones después del choque. Buscaron dos patrones específicos: un flujo elíptico, donde las partículas prefieren moverse en una forma ovalada, y un flujo triangular, donde se mueven en una forma de estrella de tres puntas. Estos patrones no son aleatorios; están impulsados por la forma inicial de los núcleos que se traslapan en el momento del impacto. Si los átomos iniciales tienen forma de bolo de bolos, el fluido resultante debe expandirse de una manera que refleje esa forma de bolo.

Los resultados mostraron una señal clara de este comportamiento colectivo. Tanto en las colisiones de oxígeno como en las de neón, las partículas exhibieron los flujos elíptico y triangular esperados. Crucialmente, la fuerza de este flujo cambió dependiendo de qué tan central fue la colisión, es decir, qué tan directamente chocaron los dos núcleos entre sí. En las colisiones más directas y centrales, las colisiones de neón-neón produjeron un flujo elíptico más fuerte que las colisiones de oxígeno-oxígeno. Esta diferencia se alinea perfectamente con las formas conocidas de los dos átomos. Debido a que el neón tiene una forma alargada más pronunciada en comparación con el oxígeno, que es más compacto, el fluido creado en las colisiones de neón se expande más fuertemente en esa dirección. Esta observación confirma que la geometría inicial de los núcleos que chocan impulsa el flujo, incluso en estos sistemas muy pequeños.

Para verificar estos hallazgos, los investigadores compararon sus mediciones con simulaciones computacionales sofisticadas que incluían modelos detallados de la estructura interna de los átomos de oxígeno y neón. Estos modelos, derivados de teorías avanzadas de la física nuclear, predijeron que los átomos de oxígeno tienen una disposición tetraédrica de sus partes internas, mientras que los átomos de neón forman una estructura que asemeja un bolo de bolos. Las simulaciones, que trataron la colisión como una expansión hidrodinámica de un fluido, coincidieron notablemente bien con los datos experimentales. El acuerdo fue tan preciso que superó la exactitud de estudios previos sobre núcleos más pesados. Esta coincidencia sugiere que la materia creada en estas colisiones de iones ligeros es, de hecho, un fluido que se comporta según las leyes de la hidrodinámica, respondiendo directamente a las formas geométricas de los átomos que chocan.

El estudio también reveló que el flujo triangular, que surge de fluctuaciones aleatorias en cómo se disponen las partículas dentro de los núcleos, se comportó de manera diferente al flujo elíptico. En colisiones centrales, el flujo triangular fue más débil en el neón que en el oxígeno, un resultado que las simulaciones también capturaron. Esta diferencia resalta la estructura interna única del átomo de oxígeno, que crea una distorsión triangular mayor en la zona de colisión inicial. Al comparar los dos sistemas directamente, los investigadores pudieron cancelar muchos de los factores confusos que usualmente complican estas mediciones, aislando el efecto de la propia forma nuclear.

Estos hallazgos proporcionan evidencia sólida de que el plasma de quarks y gluones puede formarse en sistemas mucho más pequeños de lo que se pensaba anteriormente, siempre que la energía de la colisión sea lo suficientemente alta. El hecho de que los patrones de flujo sean tan sensibles a las formas específicas del oxígeno y el neón sugiere que estas colisiones ofrecen una nueva y poderosa forma de estudiar la estructura de los núcleos atómicos. En lugar de solo observar cómo se comportan los núcleos a bajas energías, los científicos ahora pueden usar colisiones de alta energía para "imaginar" la disposición de las partículas dentro de ellos. Los datos confirman que la geometría inicial de los núcleos es el principal motor del flujo, y que la materia resultante se expande como un fluido casi perfecto. Este trabajo cierra la brecha entre el estudio de iones pesados y sistemas más pequeños, mostrando que la emergencia del comportamiento de fluido colectivo es una característica robusta de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la fuerza fuerte que mantiene unida a la materia.