Hoy he elegido como tema el plasma de quarks y gluones. Aprovecharé el reciente artículo de Johann Rafelski, Jeremiah Birrell, “Traveling Through the Universe: Back in Time to the Quark-Gluon Plasma Era,” arXiv:1311.0075 [nucl-th], 01 Nov 2013, que discute cuánto creció el radio del universo durante la fase del big bang que estuvo dominada por el plasma de quarks y gluones, tras la transición de fase electrodébil hasta la hadronización de dicho plasma. Una excusa como cualquier otra para hablar del plasma de quarks y gluones.
La materia nuclear formada por protones y neutrones que está en los núcleos de los átomos se vuelve inestable a una cierta temperatura, llamada temperatura de Hagedorn, en honor al físico alemán Rolf Hagedorn que la introdujo a principios de los 1970. La temperatura en física de partículas suele medir con una escala de energía y la temperatura de Hagedorn es de unos 160 MeV, un 15% por encima de la masa de energía del hadrón más ligero, el pión, la energía promedio del universo cuando tenía unos 10 microsegundos. Por encima de esta temperatura (o densidad de energía) la materia nuclear se vuelve inestable y se transforma en un plasma de quarks y gluones, una “sopa” donde los quarks y los gluones se mueven como partículas (casi) libres, en lugar de estar confinados dentro de los hadrones (partículas compuestas como los protones, los neutrones y los piones).
Puede parecer que el plasma de quarks y gluones se conoce desde hace décadas, pero su descubrimiento experimental se anunció en el año 2000. El Boletín del CERN del 14 de febrero del año 2000 hizo público el resultado de un workshop cuya conclusión era que se había creado este nuevo estado de la materia. El descubrimiento fue realizado gracias a la combinación de los datos procedentes de los siete experimentos del Programa de Iones Pesados del CERN que se inició en 1994 y cuyos resultados individuales se obtuvieron entre 1998 y 1999. Los iones pesados son acelerados por el colisionador SPS (Super Proton Synchrotron) hasta una energía de 160 GeV por nucleón, lo que para un ión de plomo totaliza 33 TeV. Las colisiones plomo contra plomo y entre otros iones fueron estudiadas por 7 detectores llamados NA44, NA45/CERES, NA49, NA50, NA52/NEWMASS, WA97/NA57 y WA98. Los datos de cada experimento por separado no eran suficientes para proclamar el descubrimiento, pero la combinación de todos ellos se consideró una prueba irrefutable.
La noticia apareció en “New State of Matter created at CERN,” CERN Bulletin, 14 Feb 2000, y en Ulrich Heinz, Maurice Jacob, “Evidence for a New State of Matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme,” CERN Press Office, Feb 2000.
El plasma de quarks y gluones permite estudiar la llamada “simetría quiral”, que en la materia nuclear normal está rota de forma espontánea. Los cálculos con QCD en redes (lattice QCD) indican que se requiere una densidad de energía es de 1 GeV/fm³, unas siete veces mayor que la de la materia nuclear. Las temperaturas y las densidades de energía por encima de estos valores existen en el universo temprano durante los primeros microsegundos después del Big Bang. En una colisión frontal de plomo contra plomo en el SPS lo que se observan son miles de partículas (el 99,9% son hadrones), por ello se requiere un análisis cuantitativo cuidadoso del estado final observado. El indicio más fuerte de que se logró formar el plasma de quarks y gluones sin confinamiento de color fue la supresión de mesones encantados, partículas J/psi (formadas por un par quark encanto y un antiquark encanto) y su estado excitado y’, una predicción realizada alrededor de 1985 como consecuencia de la propiedad de libertad asintótica.
El plasma de quarks y gluones fue redescubierto en 2004 usando colisiones de iones de oro a 200 GeV, tanto oro contra oro (Au+Au) como deuterio contra oro (D+Au) , en el RHIC (Colisionador Relativista de Iones Pesados) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, y también en 2011 en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN, gracias a las colisiones de iones de plomo, tanto plomo contra plomo (Pb+Pb) como protones contra plomo (p+Pb), utilizando el detector específico llamado ALICE y los dos grandes detectores CMS y ATLAS. En las colisiones del LHC se ha llegado a alcanzar una temperatura de 5,5 billones de grados centígrados, la temperatura más alta lograda en un laboratorio de manera controlada (esto es más de 100 mil veces la temperatura que existe en el centro del Sol). Estas temperaturas son similares a las del universo cuando tenía una décima de microsegundo.
Uno de los descubrimientos más importantes del RHIC es que el plasma de quarks y gluones se comporta como un líquido. Esto fue una gran sorpresa, porque se pensaba que se comportaría como un gas. Además, parece un líquido perfecto, que fluye con muy poca viscosidad, como han confirmado las observaciones del detector ALICE en el LHC. Realmente es sugerente pensar que cuando el universo tenía un microsegundo de edad estaba relleno de un líquido ideal, es decir, cuya viscosidad tiene (casi) el valor mínimo posible de la viscosidad según la física cuántica. En la actualidad no hay ninguna explicación teórica convincente a este hecho. Además, el LHC ha descubierto señales de que bajo ciertas circunstancias el plasma de quarks y gluones se comporta como un “vidrio” para la carga de color (el llamado condensado vítreo de color o color glass condensate); sin embargo, los indicios actuales no son del todo firmes. El plasmas de quarks y gluones aún reserva muchas secretos para los físicos.
La teoría del big bang no es la teoría sobre el origen del universo, el origen es cosa de las teorías pre-big bang. La teoría del big bang estudia las transiciones de fase por las que pasa el universo primordial durante sus primeros 380.000 años. El plasma de quarks y gluones dominó el universo tras la transición de fase electrodébil, cuando el universo tenía unos 10 ps (picosegundos), hasta su hadronización a unos 20 μs (microsegundos), el llamado confinamiento de los quarks. A partir de este momento la materia del universo pasó a estar dominada por los hadrones (protones y neutrones). Hay que recordar que cuando el universo tenía entre una billonésima y cien billonésimas de segundo ocurrió la transición de fase electrodébil asociada al mecanismo de Higgs. El vacío del campo de Higgs cambió y el campo de Higgs se acopló al resto de las partículas, que pasaron de ser partículas casi sin masa a partículas con las masas que tienen en la actualidad. He dicho casi sin masa porque cuando los campos asociados a las partículas no están acoplados al campo de Higgs, a primer orden perturbativo dichas partículas no tienen masa, pero hay correcciones de mayor orden que introducen términos de masa de origen cuántico. En la actualidad no sabemos calcular bien dicha pequeña masa (el famoso problema del milenio del “salto de masa” en las teorías de Yang-Mills, premiado por un millón de dólares por el Instituto Clay de Matemáticas), lo dicho, no sabemos calcular esta pequeña masa pero se cree que puede ser similar a la masa actual de los neutrinos, por lo que todas las partículas antes de la transición de fase electrodébil eran partículas ultrarrelativistas (lo que los físicos llamamos materia “caliente”).
Para estudiar estas transiciones de fase en física estadística se utiliza la ecuación de estado de la materia, que depende del número de grados de libertad alcanzables con la energía media disponible, que a su vez depende de la temperatura del universo. En física de partículas estos grados de libertad corresponden a los campos, o mejor, al número de componentes de los campos, que se pueden excitar como partículas a la energía disponible. La ecuación de estado del universo está dominada por los grados de libertad ultrarrelativistas, las partículas sin masa como el fotón y el gluón, o con masa muy pequeña, como los neutrinos. Antes de la transición de fase electrodébil el universo tenía 28 campos (o grados de libertad) bosónicos y 90 fermiónicos, todos ultrarrelativistas y en equilibrio. En la actualidad hay sólo 2 bosónicos asociados al fotón y 6 asociados a los neutrinos. La física estadística nos dice que los grados de libertad fermiónicos cuentan como 7/8 de los bosónicos, por ello, había 28+7/8*90 = 107 grados de libertad.
La cuenta es sencilla. El campo de Higgs es un doblete escalar complejo, luego tiene 4 componentes reales, una es el bosón Higgs y las otras tres las que se acoplan a los dos bosones W y al bosón Z como componentes longitudinales. Los cuatro campos gauge de la teoría electrodébil SU(2)xU(1) totalizan 8 grados de libertad, porque cada campo tiene dos componentes, igual que los 8 campos gauge de los gluones en la cromodinámica cuántica que nos dan 16 grados de libertad. En total son 4 + 8 + 16 = 32 grados de libertad bosónicos. En cuanto a los grados de libertad fermiónicos tenemos 3 familias de fermiones, con en cada familia dos quarks, cada uno con tres cargas de color, y dos leptones, uno cargado tipo electrón y otro neutro tipo neutrino; todos estos fermiones tienen cuatro componentes salvo los neutrinos que son quirales y tienen solo dos. Por tanto, hay 3*4*(3*2 + 1) + 3*2 = 90 grados de libertad fermiónicos. La física estadística nos dice que los grados de libertad fermiónicos contribuyen como 7/8 de los grados de libertad bosónicos, por ello, los 28+ 7/8 * 90 = 106,75.
Tras la hadronización la materia ultrarrelativista que dominaba el universo estaba formada por fotones, con dos grados de libertad, y por las tres familias de neutrinos, con 3 × 2 × 7/8 grados de libertad, es decir, un total de 5,25 grados de libertad. Durante la transición de fase electrodébil la temperatura de todas las partículas ultrarrelativistas era similar entre sí, pero durante la hadronización la temperatura de los neutrinos era 4/11 de la de los fotones. Teniendo en cuenta estos datos se puede estimar que el volumen del universo creció en un factor de 27 desde la transición de fase electrodébil hasta la hadronización del plasma de quarks y gluones. Lo sorprendente de la teoría del Big Bang es que nos permite realizar este tipo de cálculos incluso desconociendo los detalles de las transiciones de fase por las que puede pasar el plasma de quarks y gluones a alta energía, que serán estudiadas en los próximos años.
La Ciencia de la Mula Francis
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