close
Vés al contingut

Plasma de quarks i gluons

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
BERJAYA
Impressió artística d'un plasma de quarks i gluons.

El plasma de quarks i 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 desconfinada és composta de quarks i gluons (gairebé) lliures que deixen d'estar confinats en distàncies de l'ordre del femtòmetre (1 fm = 10–15 m) dins dels estats lligats dels hadrons (mesons i barions).

La recerca experimental del QGP s'ha dut a terme en col·lisions d'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 del segle xx, amb indicacions de la formació d'aquest estat en col·lisions plom-plom centrals. Actualment, diversos experiments al Col·lisionador d'Ions Pesants Relativistes (RHIC) del Laboratori Nacional de Brookhaven (Nova York, EUA) i al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN, continuen amb l'estudi de les propietats del QGP.

BERJAYA
Estructura d'un protó amb tres quarks units per gluons. El protó és un hadró (compost de quarks units per gluons) i, dins d'ells, un barió (compost per 3 quarks).

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 quark, 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, aquests 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 quarks i gluons[16][17] es va detectar per primera vegada al laboratori del CERN l'any 2000.[18][19][20]

BERJAYA
Aquest article o secció no cita les fonts o necessita més referències per a la seva verificabilitat.

Propietats

[modifica]

Termodinàmica

[modifica]
BERJAYA
Diagrama de fases conjecturat de la QCD en funció del potencial químic dels quarks i de la temperatura . El plasma de quarks i gluons se situa a la part d'alta densitat i alta temperatura del diagrama.

La temperatura de transició de la matèria hadrònica normal a l'estat de QGP està al voltant de T=156,5 MeV,[21] 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]
BERJAYA
Xoc d'ions pesants a grans velocitats són emprats per produir el plasma de quarks i gluons.

El QGP pot ser creat escalfant la matèria fins a una energia de 175 MeV, que equival a una temperatura de més d'1,66 × 1012 K, anomenada temperatura de Hagedorn). 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 ultrarelativistes 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 (QCD) forma part del model estàndard de física de partícules, juntament amb les teories de les interaccions electrofebles i la física de neutrins. La electrodinàmica quàntica ha estat verificada experimentalment amb una precisió d’unes poques parts en mil milions, mentre que el model electrofeble s’ha comprovat fins a unes poques parts per mil. Pel que fa a la QCD, les seves prediccions en el règim pertorbatiu han estat confirmades amb una precisió de fins a unes poques parts per cent.[22] En canvi, els aspectes no pertorbatius —com el confinament de color o la formació d’estats hadrònics— són més difícils de verificar experimentalment.

L’estudi del plasma de quark i gluons (QGP) és una via fonamental per provar la QCD en condicions extremes de temperatura i densitat, i contribueix a completar el marc teòric del model estàndard. A més, el QGP constitueix un camp de proves per a la teoria de camps a temperatura finita, que descriu el comportament de la matèria en situacions d’alta energia. Aquestes condicions són rellevants per comprendre l’evolució inicial de l'Univers, especialment durant els primers microsegons després del Big bang, i per al desenvolupament de les teories de gran unificació.

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

[modifica]
BERJAYA
Vista del túnel del LHC al CERN.

Segons els models cosmològics actuals, entre aproximadament 10−10 i 10−6 segons després del big-bang, la matèria existia en forma de QGP. Les col·lisions de nuclis pesants a energies superiors als cent GeV, en acceleradors com el CERN o Brookhaven, permeten reproduir densitats i temperatures comparables a les d’aquell període primigeni. En aquestes condicions, i en volums similars als d’un nucli atòmic, és possible estudiar propietats de la matèria que caracteritzaven l’Univers en els seus primers instants.

Relació amb el plasma normal

[modifica]

Un plasma és un estat de la matèria en què les càrregues elèctriques estan apantallades per altres càrregues mòbils, de manera que la càrrega efectiva disminueix exponencialment amb la distància, . En un QGP, la càrrega de color dels quarks i gluons també és apantallada. Tot i això, existeixen diferències importants respecte als plasmes convencionals: la càrrega de color és pròpia d’un grup no-abelià, cosa que implica que les interaccions són més complexes i que el camp color-elèctric no està apantallat fora d’un volum finit de QGP. Per aquest motiu, un volum de QGP ha de ser globalment neutre en color.

A les energies extremadament altes pròpies del QGP, la producció de parells quark-antiquark és abundant, cosa que dona com a resultat una mescla gairebé simètrica de quarks i antiquarks de diversos sabors, només amb un lleuger excés de quarks. Aquesta característica contrasta amb la majoria de plasmes convencionals, que sovint són massa freds per permetre la producció de parells (amb l’excepció de situacions especials, com les associades a la 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 2005-02-12. [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, p. 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, p. 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, p. 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, p. 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. ↑ Bazavov, A.; Ding, H. -T.; Hegde, P.; Kaczmarek, O.; Karsch, F. «Chiral crossover in QCD at zero and non-zero chemical potentials». Physics Letters B, 795, 10-08-2019, p. 15–21. DOI: 10.1016/j.physletb.2019.05.013. ISSN: 0370-2693.
  22. ↑ Tanabashi, M.; Hagiwara, K.; Hikasa, K.; Nakamura, K.; Sumino, Y.; Takahashi, F.; Tanaka, J.; Agashe, K.; Aielli, G. «Review of Particle Physics». Physical Review D, vol. 98, 3, 2018, p. 1-708. DOI: 10.1103/PhysRevD.98.030001. ISSN: 2470-0010. Arxivat 2026-03-02 a Wayback Machine.

Enllaços externs

[modifica]


Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_de_quarks_i_gluons&oldid=38016279»