STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

Durante un cuarto de siglo, los científicos han estado chocando núcleos atómicos pesados a casi la velocidad de la luz para recrear las condiciones que existieron apenas millonésimas de segundo después del Big Bang. Este entorno extremo, creado dentro de un enorme acelerador de partículas conocido como el Colisionador de Iones Relativistas, es lo suficientemente caliente y denso como para derretir los protones y neutrones que componen la materia ordinaria. Cuando estas partículas se derriten, forman un nuevo estado de la materia llamado plasma de quarks y gluones, una sopa de partículas fundamentales que fluye con casi sin fricción. Al estudiar cómo se comporta este plasma, los investigadores esperan comprender las fuerzas fundamentales que mantienen unido al universo. Una cuestión clave para los físicos ha sido determinar exactamente qué tan pequeña puede ser una colisión antes de que este estado exótico y fluido de la materia deje de formarse. ¿Requiere el plasma una colisión masiva entre dos átomos de oro pesados, o puede emerger de la colisión mucho más pequeña de un solo protón con un núcleo pesado?

Un informe reciente de la colaboración STAR, un grupo de investigación que opera un gran detector en el colisionador, ofrece una visión exhaustiva de veinticinco años de datos para responder a estas preguntas y explorar otros misterios del mundo subatómico. El equipo analizó colisiones que involucran docenas de combinaciones diferentes de especies atómicas, que van desde diminutos protones hasta pesados átomos de uranio, y a través de una amplia gama de niveles de energía. Su trabajo confirma que la señal de este plasma caliente y fluido aparece incluso en sistemas de colisión muy pequeños, siempre que las condiciones sean las adecuadas. También descubrieron nuevas formas de medir la estructura interna de los núcleos atómicos y hallaron evidencia de partículas exóticas que existen solo por un instante fugaz antes de decaer.

Uno de los hallazgos más significativos se refiere al tamaño del sistema necesario para crear este plasma. Durante años, los científicos debatieron si el comportamiento fluido observado en las grandes colisiones era una verdadera fase de la materia o simplemente una colección de interacciones independientes de partículas. El equipo de STAR investigó esto chocando núcleos de oxígeno con otros núcleos de oxígeno, un sistema mucho más pequeño que las colisiones de oro contra oro utilizadas en el pasado. Buscaron varias señales distintas de que se había formado un plasma. Observaron que las partículas de alta energía estaban siendo frenadas a medida que pasaban a través del medio, un fenómeno conocido como extinción de chorros (jet quenching). También vieron que la producción de ciertas partículas pesadas se veía suprimida, lo que sugiere que estaban siendo descompuestas por el calor intenso. Además, la radiación emitida por la colisión indicaba una temperatura consistente con un plasma caliente, y la producción de partículas extrañas aumentó de una manera que coincidía con las predicaciones para un medio fluido. Cuando compararon estas colisiones de oxígeno con colisiones que involucraban deuterio, un isótopo ligero del hidrógeno, encontraron que el comportamiento fluido dependía de la forma y la estructura interna de los núcleos en colisión, confirmando que la señal proviene de una respuesta colectiva de la materia y no de un azar aleatorio.

Más allá del propio plasma, los investigadores utilizaron estas colisiones para estudiar la existencia fugaz de núcleos atómicos inestables. En colisiones de baja energía, midieron con éxito la producción de isótopos de litio que son tan inestables que decaen casi instantáneamente. Al rastrear cómo estas partículas de vida corta interactuaban con la materia densa circundante, el equipo pudo probar teorías sobre cómo se construyen los núcleos atómicos a partir de piezas más pequeñas. Encontraron que las partículas de vida más corta se producían en menor número que sus contrapartes más estables, un resultado que refleja directamente la competencia entre la formación de estos núcleos y su destrucción por el entorno circundante. En una búsqueda separada de materia exótica, el equipo buscó átomos muónicos, que son estructuras raras donde un muón, un primo pesado del electrón, orbita un hadrón. Encontraron una señal clara de estos átomos en los restos de la colisión, proporcionando un nuevo método para estudiar la producción de muones blandos que de otro modo serían imposibles de detectar directamente.

El estudio también profundizó en el espín, o rotación intrínseca, de las partículas, una propiedad que revela secretos profundos sobre el vacío cuántico. El equipo midió la alineación del espín de los mesones phi, un tipo de partícula formada por un quark extraño y su antipartícula. Al analizar la distribución bidimensional completa de las partículas en las que decaen, detectaron una señal no nula en los elementos fuera de la diagonal de la matriz de espín. Esto indica que los espines del quark y el antiquark están correlacionados de una manera específica. Para comprender el origen de esta correlación, la compararon con mediciones de pares lambda-antilambda en colisiones de protones, donde encontraron una fuerte correlación que sugiere que el vacío cuántico imprime su estructura en las partículas a medida que se crean. El equipo trabaja ahora para ver si esta correlación sobrevive en el plasma caliente de las colisiones de iones pesados, lo que les diría si el calor extremo derrite la estructura del vacío o si esta persiste.

Finalmente, los investigadores desarrollaron nuevas formas de medir el flujo de la materia creada en estas colisiones. Examinaron cómo fluctúa el momento promedio de las partículas de una colisión a otra, lo que revela cómo cambia el tamaño de la bola de fuego inicial. Estas mediciones permitieron estimar la velocidad del sonido dentro del plasma de quarks y gluones, un valor que describe qué tan rígido o compresible es el medio. Sus resultados sugieren que la velocidad del sonido cambia con la temperatura de una manera que coincide con los cálculos teóricos de la cromodinámica cuántica de red. También encontraron que la forma en que fluyen las partículas depende de su masa, con las partículas más pesadas ganando más momento del fluido en expansión, un patrón que se mantiene en todos los diferentes sistemas de colisión que estudiaron. Este mapeo detallado de las propiedades del plasma proporciona una imagen más clara de cómo se comportó el universo en sus momentos iniciales y sienta las bases para futuros descubrimientos en las décadas venideras.