Vés al contingut

Plasma de quarks i gluons

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
(S'ha redirigit des de: Plasma de quarks-gluons)

El plasma de quarks-gluons (Quark-Gluon Plasma, QGP, en anglès) és una fase predita per la teoria de la interacció forta, la cromodinàmica quàntica (QCD), quan la temperatura i/o la densitat d'un sistema d'hadrons són molt altes. Aquesta fase de la matèria QCD deconfinada és composta de quarks i gluons (gairebé) lliures que deixen d'estar confinats en distàncies de l'ordre del femtometre (fm) dins dels estats lligats de mesons i barions. La recerca experimental del QGP s'ha dut a terme en col·lisions de ions pesants (nuclis atòmics) a altes energies. Els experiments al Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN van ser els primers a provar de crear el QGP als anys vuitanta i noranta, amb indicacions de la formació d'aquest estat en col·lisions plom-plom centrals. Actualment, diversos experiments al Col·lisionador de Ions Pesants Relativistes (RHIC) del Laboratori Nacional de Brookhaven (Nova York, Estats Units) i al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN, continuen amb l'estudi de les propietats del QGP.

El QGP conté quarks i gluons, com la matèria hadrònica normal. La diferència entre aquests dos estats de la QCD és que en la matèria normal cada cuark o bé s'aparella amb un antiquark per a formar un mesó o s'uneix amb altres dos quarks per a formar un barió (tal com el protó i el neutró). En el QGP, en canvi, aquestes mesons i barions perden les seves identitats i formen una massa molt més gran de quarks i gluons.[1] En la matèria normal els quarks estan confinats; els quarks de QGP estan desconfinats.

En la teoria del Big bang, el plasma de quark-gluons omplia tot l'Univers abans que es creés la matèria tal com la coneixem. Les teories que predeien l'existència del plasma de quarks i gluons es van desenvolupar a la fi de la dècada de 1970 i principis de la de 1980.[2] Els debats entorn de l'experimentació amb ions pesats es van succeir[3][4][5][6][7] i es van presentar les primeres propostes d'experiments en el CERN[8][9][10][11][12][13] i BNL[14][15] en els anys següents. El plasma de quark-gluó[16][17] es va detectar per primera vegada al laboratori del CERN l'any 2000.[18][19][20]

Propietats

[modifica]

Termodinàmica

[modifica]

La temperatura de transició de la matèria hadrònica normal a l'estat de QGP està al voltant de T=175 MeV, equivalents a una densitat d'energia al voltant d'1 GeV/fm³, d'acord amb càlculs de reticle de la QCD. Les condicions de temperatura inicials assolides en els sistemes experimentals produïts en col·lisions de nuclis a RHIC i LHC estan almenys un factor 10 per sobre d'aquesta temperatura crítica de transició.

Coeficients de transport

[modifica]

El recorregut lliure mitjà de quarks i gluons al QGP ha estat calculat amb mètodes pertorbatius de la QCD, així com en aproximacions basades en la teoria de cordes. El petit valor mesurat a RHIC i LHC del segon coeficient de Fourier (anomenat flux el·líptic) de la distribució azimutal de partícules en col·lisions de nuclis indica una conversió molt eficient dels gradients de pressió inicials del sistema cap a l'estat final. Aquest resultat només pot ser reproduït per càlculs hidrodinàmics que inclouen una viscositat del QGP molt baixa. El QGP es comporta, doncs, com un líquid quasi perfecte.

Producció

[modifica]

El QGP pot ser creat escalfant la matèria fins a una temperatura de 175 MeV (anomenada temperatura de Hagedorn). Això equival a una temperatura de més d'1,66×1012 K. Aquest procés es pot aconseguir en el laboratori fent xocar dos nuclis grans amb quantitats altes d'energia. Plom i or han estat utilitzats per a fer això en el CERN SPS i RHIC, respectivament. Els nuclis són accelerats a velocitats ultrarrelativistes i es fan xocar l'u contra l'altre quan es contreuen. En gran part es travessen l'u a l'altre, però després del xoc es crea un volum calent resultant anomenat bola de foc (fireball). Una vegada creada, aquesta bola de foc s'eixampla, a causa de la seva pròpia pressió, i es refreda en eixamplar-se. Mitjançant l'estudi d'aquest flux els experimentadors esperen poder provar la teoria.

Posició en l'esquema general de la física

[modifica]

La cromodinàmica quàntica és una part de la teoria moderna de la física de partícules anomenada el model estàndard. Altres parts d'aquesta teoria tracten amb el model electrofeble i els neutrins. L'electrodinàmica quàntica ha estat provada i s'ha trobat correcta fins a unes poques parts en un trilió. El model electrofeble ha estat provat i s'ha trobat correcte fins a unes poques parts per miler. Els aspectes pertorbatius de la QCD han estat provats a unes poques parts per centena. Per contrast, els aspectes no-pertorbatius de la QCD han estat a penes provats. L'estudi del QGP forma part d'aquest esforç de consolidar la gran teoria de la física de partícules.

La QCD és una part de la moderna teoria de la física de partícules anomenada Model estàndard. Altres parts d'aquesta teoria tracten de les interaccions electrofebles i els neutrins. La teoria de l'electrodinàmica ha estat provada i s'ha trobat correcta en unes poques parts entre mil milions. La teoria de les interaccions febles ha estat provada i és correcta en una proporció d'unes poques parts en mil. Les formes pertorbatives de la QCD s'han provat amb una precisió d'unes poques parts per cent.[21] Els models pertorbatius assumeixen canvis relativament petits respecte a l'estat fonamental, és a dir, temperatures i densitats relativament baixes, la qual cosa simplifica els càlculs a costa de la generalitat. Per contra, les formes no-pertorbatives de QCD a penes s'han provat. L'estudi del QGP, que té tant una temperatura com una densitat elevades, forma part d'aquest esforç per consolidar la gran teoria de la física de partícules.

L'estudi de la QGP és també un camp de proves per a la Teoria de camps a temperatura infinita, una branca de la física teòrica que tracta de comprendre la física de partícules en condicions d'alta temperatura. Aquests estudis són importants per a comprendre l'evolució primerenca del nostre univers: els primers cent microsegons aproximadament. És crucial per als objectius físics d'una nova generació d'observacions de l'univers (WMAP i les seves successores). També és rellevant per a les Teories de la gran unificació que pretén unificar les tres forces fonamentals de la naturalesa (excloent la gravetat).

Raons per a estudiar la formació del plasma de quark-gluons

[modifica]

El model generalment acceptat de la formació de l'Univers afirma que va ocórrer com a resultat del Big bang. En aquest model, en l'interval de temps de 10-10-10-6 s després del Big bang, la matèria existia en forma de plasma de quark-gluons. És possible reproduir la densitat i la temperatura de la matèria existent d'aquella època en condicions de laboratori per a estudiar les característiques de l'Univers molt primitiu. Fins ara, l'única possibilitat és la col·lisió de dos nuclis atòmics pesats accelerats a energies de més de cent GeV. Utilitzant el resultat d'una col·lisió frontal en un volum aproximadament igual al volum del nucli atòmic, és possible modelitzar la densitat i la temperatura que existien en els primers instants de la vida de l'Univers.

Relació amb el plasma normal

[modifica]

Un plasma és matèria en la qual les càrregues estan apantallades a causa de la presència d'altres càrregues mòbils. Per exemple: La Llei de Coulomb és suprimida per l'apantallament per a produir una càrrega dependent de la distància, , és a dir, la càrrega Q es redueix exponencialment amb la distància dividida per una longitud d'apantallament α. En un QGP, la càrrega de color dels quarks i gluons està apantallada. El QGP té altres analogies amb un plasma normal. També hi ha dissimilituds perquè la càrrega de color és grup no abelià, mentre que la càrrega elèctrica és abeliana. Fora d'un volum finit de QGP el camp color-elèctric no està apantallat, de manera que un volum de QGP ha de continuar sent de color neutre. Per tant, igual que un nucli, tindrà una càrrega elèctrica sencera.

A causa de les energies extremadament altes involucrades, els parells quark-antiquark es produeixen per producció de parells i, per tant, QGP és una mescla aproximadament igual de quarks i antiquarks de diversos sabors, amb només un lleuger excés de quarks. Aquesta propietat no és una característica general dels plasmes convencionals, que poden estar massa freds per a la producció de parells (vegeu, no obstant això, supernova d'inestabilitat de parells).

Vegeu també

[modifica]

Referències

[modifica]
  1. ↑ «Infocenter ILGTI: Indian Lattice Gauge Theory Initiative», 12-02-2005. Arxivat de l'original el 12 de febrer de 2005. [Consulta: 21 desembre 2022].
  2. ↑ Satz, H. Mecànica estadística de quarks i hadrons: Actes d'un simposi internacional celebrat a la Universitat de Bielefeld, F.R.G., 24-31 de agosto de 1980 (en anglès). North-Holland, 1981. ISBN 978-0-444-86227-3. 
  3. ↑ Cocconi, G. Desenvolupaments al CERN (en castellà), Enero 1974, p. 78. 
  4. ↑ Webb, C. «Primer taller sobre col·lisions nuclears ultrarelativistes, LBL, 21-24 de maig de 1979» (en anglès). .
  5. ↑ Nakai, Kōji; Goldhaber, A. S.; Shinkōkai, Nihon Gakujutsu [et al.].. id=fPMWAQAAMAAJ Interaccions nuclears d'alta energia i propietats de la matèria nuclear densa: actes del Seminari d'Hakone (Japan-US. Joint Seminar) celebrat a Hakone, del 7 a l'11 de juliol de 1980 (en anglès). Tokio: Hayashi-Kobo, 1980. 
  6. ↑ Darmstadt), Workshop on Future Relativistic Heavy Ion Experiments (1980. Proceedings: GSI Darmstadt, 7-10 d'octubre de 1980 (en anglès). GSI, 1981. 
  7. ↑ 5è Estudi d'Ions Pesats d'Alta Energia, 18-22 de maig de 1981: actes (en anglès). Lawrence Berkeley Laboratory, University of California., 1981 (LBL-12652). 
  8. ↑ cern.ch/record/679458 Carta d'intencions: estudi de la producció de partícules i la fragmentació del blanc en reaccions centrals de Ne sobre Pb a 12 GeV per nucleó d'energia del feix extern PS del CERN, 1980. 
  9. ↑ Estudi de reaccions relativistes nucli-nucli induïdes per feixos de O de 9-13 GeV per nucleó en el PS del CERN. Ginebra: CERN, 1982. 
  10. ↑ Middelkoop, Willem Cornelis. Observacions sobre el possible ús de l'SPS per fer 0 ions. CERN. Ginebra. SPS Experiments Committee. Ginebra: CERN, 1982. 
  11. ↑ Pproposta a l'SPSC: ús de la instal·lació per a col·lisions p-, -, i 0-urani (CERN-SPSC-83-54). Ginebra: CERN, 1983. 
  12. ↑ Albrow, M. G.. Experiments amb feixos i blancs nuclears. 2. Ginebra: CERN, 1983, p. 462-476 (CERN-83-02). DOI 10.5170/CERN-1983-002-V-2.462. 
  13. ↑ Quercigh, E. «Quatre experiments d'ions pesants al CERN-SPS: Un viatge pel carril de la memòria» (en anglès). Acta Physica Polonica B, vol. 43, 4, 2012, pàg. 771. DOI: 10.5506/APhysPolB.43.771. ISSN: 0587-4254.
  14. ↑ «Informe del grup de treball per a la física relativista d'ions pesats» (en anglès). Nuclear Physics A, vol. 418, 1984, pàg. 657-668. Bibcode: ..657. 1984NuPhA.418 ..657.. DOI: 10.1016/0375-9474(84)90584-0.
  15. ↑ Laboratory, Brookhaven National. Proposal for a 15A-GeV Heavy Ion Facility at Brookhaven (en anglès). Brookhaven National Laboratory, 1983 (BNL 32250). 
  16. ↑ Plasma de quark-gluó: fonaments teòrics. North-Holland, 2003. ISBN 978-0-444-51110-2. 
  17. ↑ Jacob, M.; Tran Thanh Van, J. «Formació de matèria de quarks i col·lisions d'ions pesats» (en anglès). Physics Reports, vol. 88, 5, 1982, pàg. 321-413. DOI: 10.1016/0370-1573(82)90083-7.
  18. ↑ Rafelski, Johann «Melting hadrons, boiling quarks» (en castellà). The European Physical Journal A, vol. 51, 9, 2015, pàg. 114. arXiv: 1508.03260. Bibcode: 2015EPJA...51..114R. DOI: 10.1140/epja/i2015-15114-0. ISSN: 1434-6001.
  19. ↑ Evidence of a new state of matter: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme. 
  20. ↑ Glanz, James «Físics de partícules cada cop més a prop de l'esclat que ho va començar tot» (en castellà). The New York Times, 10-02-2000.
  21. ↑ Tanabashi, M.; Hagiwara, K.; Hikasa, K.; Nakamura, K.; Sumino, Y.; Takahashi, F.; Tanaka, J.; Agashe, K.; Aielli, G. «Review of Particle Physics» (en anglès). Physical Review D, vol. 98, 3, 2018, pàg. 1-708. Bibcode: 2018PhRvD..98c0001T. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.030001. ISSN: 2470-0010. PMID: 10020536.

Enllaços externs

[modifica]


Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_de_quarks_i_gluons&oldid=36574630»