Observation of long-range collective flow in OO and NeNe collisions and implications for nuclear structure studies

En lo más profundo del corazón de la materia, los protones y neutrones no son esferas sólidas e inalterables. Son colecciones dinámicas de partículas aún más pequeñas llamadas quarks y gluones, mantenidas unidas por una fuerza tan fuerte que desafía la intuición cotidiana. Bajo condiciones normales, estas partículas están estrechamente unidas dentro de los núcleos atómicos. Sin embargo, los físicos han predicho durante mucho tiempo que si se empaqueta suficiente energía en un espacio diminuto, esta fuerza de unión puede superarse, haciendo que la materia se derrita en una sopa fluida y bulliciosa conocida como plasma de quarks y gluones. Se cree que este estado de la materia existió solo durante fracciones de segundo después del Big Bang, antes de que el universo se enfriara lo suficiente como para que se formaran los átomos. Para estudiar este estado primordial, los científicos hacen chocar núcleos atómicos pesados a casi la velocidad de la luz, recreando esas condiciones extremas en un entorno controlado. Al observar cómo los escombros de estas colisiones salen despedidos, los investigadores pueden inferir las propiedades del fluido que existió brevemente en el centro del choque. Uno de los signos más reveladores de este comportamiento fluido es un fenómeno llamado flujo colectivo, donde miles de partículas se mueven en patrones coordinados, como si fueran parte de un único líquido en expansión en lugar de una dispersión caótica de fragmentos individuales.

Durante años, este comportamiento fluido se observó principalmente en colisiones que involucraban átomos muy pesados, como el plomo o el oro. Estos núcleos masivos proporcionan un gran volumen de materia, lo que facilita la detección y el estudio de la formación del plasma de quarks y gluones. Pero una pregunta persistente permanecía: ¿podría este estado fluido formarse también en sistemas mucho más pequeños? Experimentos recientes sugirieron que incluso las colisiones entre átomos más ligeros, o incluso entre un solo protón y un núcleo, podrían crear diminutas gotas de este plasma exótico. El desafío con estos sistemas más pequeños es que son más difíciles de interpretar. En una colisión entre dos átomos pesados, la forma inicial es aproximadamente esférica y está bien comprendida. En colisiones más pequeñas, la disposición inicial de las partículas es más compleja y fluctúa salvajemente de un choque a otro, lo que dificulta separar los efectos de la forma inicial del comportamiento del propio fluido. Para resolver este enigma, un investigador recurrió a dos iones específicos y más ligeros: oxígeno y neón. Estos dos elementos son vecinos en la tabla periódica con masas similares, lo que significa que deberían comportarse de manera similar en una colisión si solo importara su tamaño. Sin embargo, la teoría sugiere que tienen formas internas diferentes. Si un investigador pudiera medir cómo se comportan estos dos iones diferentes al ser chocados, podría ver cómo la estructura interna de un átomo influye en la creación del plasma de quarks y gluones.

Un investigador que utiliza el detector CMS en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza realizó recientemente exactamente este tipo de experimento. Dirigió haces de iones de oxígeno e iones de neón uno hacia el otro, creando colisiones a una energía de centro de masa por par de nucleones de 5.36 tera-electrónvoltios. A lo largo de su ejecución, recolectaron datos de millones de colisiones de oxígeno-oxígeno y cientos de miles de colisiones de neón-neón. El detector, un instrumento masivo que rodea el punto de colisión, rastreó las trayectorias de las partículas cargadas producidas en estos choques. El científico se centró en medir cómo se distribuían estas partículas en ángulo a medida que se alejaban del punto de colisión. Específicamente, buscó patrones en el flujo de partículas a través de un amplio rango de ángulos, buscando signos de flujo elíptico, donde las partículas prefieren moverse en una forma ovalada, y flujo triangular, donde se mueven en un patrón de tres puntas. Estos patrones son las huellas dactilares de un fluido que ha respondido a la forma inicial de la colisión.

Los resultados fueron claros y significativos. Tanto en las colisiones de oxígeno como en las de neón, el investigador observó evidencia sólida de flujo colectivo. Las partículas no se dispersaron aleatoriamente; en cambio, exhibieron el movimiento coordinado característico de un fluido. Esto confirmó que incluso en estos sistemas más pequeños, que involucran solo 16 o 20 nucleones, se forma efectivamente una gota de plasma de quarks y gluones. El investigador midió la fuerza de estos patrones de flujo en diferentes escenarios de colisión, que van desde golpes de raspadura donde los núcleos apenas se tocan hasta colisiones frontales donde chocan completamente. Encontró que los patrones de flujo cambiaban de una manera que coincidía con las expectativas de un fluido respondiendo a la geometría del choque. En las colisiones más centrales, donde el solapamiento entre los dos núcleos es mayor, los patrones de flujo eran distintos y robustos.

Lo que hizo que este estudio fuera particularmente poderoso fue la comparación entre los dos tipos de iones. Debido a que el oxígeno y el neón tienen masas similares, cualquier diferencia en sus patrones de flujo no podía atribuirse al tamaño de la colisión. En su lugar, las diferencias debían provenir de la estructura interna de los átomos mismos. Los modelos teóricos predicen que el núcleo de oxígeno es aproximadamente esférico, mientras que el núcleo de neón tiene una forma más compleja y deformada, a menudo descrita como teniendo una estructura de "bola de boliche" debido a la forma en que sus protones y neutrones están dispuestos. Cuando el investigador comparó los datos de flujo de los dos sistemas, encontró que la relación de flujo en las colisiones de neón respecto a las de oxígeno cambiaba dependiendo de qué tan central era la colcción. En los choques más centrales, donde el solapamiento entre los dos núcleos es mayor, el flujo en las colisiones de neón era significamente más fuerte en relación con el de oxígeno que en las periféricas. Esta tendencia sugiere que la forma deformada del núcleo de neón deja una impronta distintiva en el fluido que crea. Cuanto más deformada es la forma inicial, más pronunciados se vuelven los patrones de flujo.

Para probar esta interpretación, el investigador comparó sus datos con simulaciones computacionales avanzadas que incluían teorías modernas de la estructura nuclear. Estas simulaciones utilizaron cálculos detallados de cómo se disponen los protones y neutrones dentro de los núcleos de oxígeno y neón para predecir cómo deberían verse las colisiones. Las simulaciones que incorporaron estas formas deformadas específicas para el neón fueron capaces de reproducir las tendencias generales observadas en los datos experimentales. Capturaron con éxito cómo las relaciones de flujo cambiaban de colisiones periféricas a centrales. Sin embargo, los modelos no eran perfectos; podían describir el comportamiento general pero no coincidían con los números exactos en cada detalle. Esto indica que, si bien la idea básica de que la estructura nuclear influye en el fluido es correcta, la comprensión teórica de cómo se comportan estos núcleos pequeños y cómo interactúan con el fluido aún se está refinando. Los datos proporcionaron nuevas y estrictas restricciones para los físicos que trabajan para mejorar estos modelos, obligándolos a tener en cuenta las formas internas específicas de estos iones ligeros.

Este trabajo representa un paso significativo hacia la comprensión de las gotas más pequeñas de plasma de quarks y gluones. Demuestra que el comportamiento colectivo de la materia no se limita a los núcleos atómicos más grandes, sino que se extiende hasta la escala del oxígeno y el neón. Más importante aún, muestra que las colisiones de alta energía pueden servir como un microscopio para la estructura nuclear. Al observar cómo fluye el fluido, un científico puede inferir la forma del núcleo que lo creó, una técnica que ofrece una nueva forma de estudiar la arquitectura fundamental de la materia. Los hallazgos sugieren que la disposición interna de protones y neutrones no es solo un fondo estático, sino un participante activo en la creación de los estados más extremos de la materia en el universo. Aunque los detalles exactos de las formas nucleares y su dinámica de fluidos aún se están trabajando, la observación de que estos sistemas pequeños se comportan como fluidos y que su comportamiento es sensible a su estructura interna es una conclusión firme extraída de los datos. El estudio abre un nuevo capítulo en la exploración del plasma de quarks y gluones, demostrando que incluso las colisiones más pequeñas pueden revelar las propiedades más grandiosas del universo.