El 21 de septiembre de 2010 la colaboración CMS hizo publico el primer descubrimiento científico del LHC en el CERN, la existencia de correlaciones inesperadas en la dirección azimutal Δϕ en los sucesos de alta multiplicidad observados en colisiones protón contra protón (p-p) a 7 TeV c.m. (el famoso “ridge” o “cresta” que se observa muy bien para alta pseudorapidez Δη; hoy sabemos que hay una doble “cresta”). El fenómeno fue observado también por ATLAS y ALICE, y en colisiones ión contra ión (Pb-Pb) y protón contra ión (p-Pb); de hecho, hoy se sabe que RHIC observó su existencia en colisiones d-Au y Au-Au en 2004 y 2006, pero en su momento pasó desapercibido. Durante 2012 se han barajado varias explicaciones, pero parece que la más convincente es la ofrecida por los físicos Kevin Dusling y Raju Venugopalan de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), EEUU. El origen de la “cresta” es una forma sutil de la interferencia cuántica, un estado condensado “cristalino” de color (color glass condensate) predicho en 2002. Más información técnica para físicos en la interesante charla de Kevin Dusling (North Carolina State University), “Long-range angular correlations by strong color fields in hadronic collisions,” Rencontres de Moriond QCD, Mar 15, 2013 [slides].
La explicación para colisiones p-p se presentó en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Evidence for BFKL and saturation dynamics from di-hadron spectra at the LHC,” arXiv:1210.3890, 15 Oct 2012, para colisiones p-Pb en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Explanation of systematics of CMS p+Pb high multiplicity di-hadron data at $\sqrt{s}_{\rm NN} = 5.02$ TeV,” arXiv:1211.3701, 15 Nov 2012, y finalmente la confirmación definitiva en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Comparison of the Color Glass Condensate to di-hadron correlations in proton-proton and proton-nucleus collisions,” arXiv:1302.7018, 27 Feb 2013. La observación original en CMS Collaboration, “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC,” JHEP 1009: 091, 2010 [arXiv:1009.4122].
El campo cromodinámico (QCD) propagado por gluones tiene componentes cromoeléctricas y cromomagnéticas (similares a las componentes eléctricas y magnéticas del campo electromagnético propagado por fotones). En los primeros instantes de una colisión ión-ión (o protón-protón de alta energía y alta multiplicidad), los campos cromoeléctrico y cromomagnético sólo tienen componentes longitudinales, por lo que se forman “tubos” de carga de color en la dirección del eje de la colisión; esta configuración de los campos de color se llama glasma. En las colisiones con baja densidad de carga de color, las colisiones están dominadas por la aparición de chorros hadrónicos (chorros de gluones que se transforman en mesones y bariones) y el efecto del glasma es despreciable (en el desarrollo perturbativo son términos O(α8) despreciables frente a los efectos O(α6) de los chorros; recuerda que la constante cromodinámica de acoplo α decrece con la energía y su valor es menor que la unidad). Sin embargo, en las colisiones con alta densidad de carga de color, el glasma se intensifica hasta llegar a dominar a los chorros(en el desarrollo perturbativo son términos O(1/α2) que dominan a los efectos de los chorros, que son términos O(1), grandes pero no tanto).
Como muestra la figura que abre esta entrada, la teoría predice la existencia de una doble “cresta” (“ridge”), véase la curva roja a trazos a la izquierda; para observar la segunda “cresta” es necesario eliminar de los datos el pico asociado a los chorros, la curva azul a trazos en la parte izquierda de la figura que abre esta entrada. El resultado, observado por ATLAS y por ALICE en las colisiones proton contra plomo confirma la presencia de ambas “crestas” (aquí muestro en fondo gris azulado la figura de ALICE). Los interesados en la figura de ATLAS y más información divulgativa (para físicos) pueden consultar “ALICE and ATLAS find intriguing ‘double ridge’ in proton–lead collisions,” CERN Courier, Feb 20, 2013.
El nuevo fenómeno, llamado saturación de gluones (o estado condensado “cristalino” de color) predice una termalización que aún no ha sido observada en los experimentos, pero que podría serlo tras el incremento de energía en las colisiones del LHC. Habrá que esperar a las colisiones ión contra ión de finales de 2015. Mientras tanto, los físicos teóricos tendrán que avanzar en su comprensión de este interesante fenómeno en QCD y sobre sus implicaciones en los primeros instantes tras la gran explosión (big bang).
Francis (th)E mule Science's News
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