Descubren orden oculto en colisiones violentas de protones

Las colisiones de protones a alta energía pueden ser visualizadas como un mar agitado de quarks y gluones, que incluyen partículas virtuales de corta duración. A primera vista, este entorno extremo parece mucho más complejo que la etapa posterior, cuando partículas más estables emergen del punto de colisión. Sin embargo, los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) demostraron que esta intuición es engañosa. Los resultados se explicaron mejor mediante un modelo refinado que captura cómo realmente se desarrollan las colisiones de protones.

Cuando dos protones colisionan a energías muy altas, ocurre una enorme cantidad de interacciones en un instante. Los protones son hadrones, compuestos de partones, que incluyen quarks y los gluones que los mantienen unidos. Durante una colisión, estos quarks y gluones, incluso los virtuales que aparecen solo brevemente, interactúan de maneras complejas. A medida que el sistema se enfría, los quarks se combinan para formar nuevos hadrones que se dispersan y son detectados por experimentos. A partir de esta imagen, parece razonable suponer que el desorden del sistema, conocido como entropía, debería cambiar entre la fase inicial de partones y la fase posterior de hadrones. La fase de partones parece especialmente caótica, con muchas partículas interactuando simultáneamente.

Nueva investigación sobre la entropía en colisiones de protones

Los últimos hallazgos sobre esta cuestión fueron publicados en Physical Review D por el Prof. Krzysztof Kutak y el Dr. Sandor Lokos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia. Su trabajo se centró en comparar la entropía en la fase temprana de quarks y gluones con la entropía de las partículas que finalmente se producen y se miden.

"En física de altas energías, se han utilizado modelos de dipolos para describir la evolución de sistemas densos de gluones. Estos modelos suponen que cada gluón puede ser representado por un par quark-antiquark que forma un dipolo de dos colores, refiriéndose aquí a la carga de color, una propiedad cuántica de los gluones. Los modelos de dipolos basados en el número promedio de hadrones producidos en una colisión permiten estimar la entropía de los partones", explicó el Prof. Kutak, quien ha estudiado la entropía de los sistemas de quarks y gluones durante más de diez años.

Mejorando los modelos de dipolos con nuevas ideas

Hace dos años, el Prof. Kutak y el Dr. Pawel Caputa de la Universidad de Estocolmo introdujeron una versión actualizada del modelo de dipolo. Partieron de un modelo establecido que describe cómo evolucionan los sistemas de gluones y lo trataron como la contribución dominante. Luego, añadieron efectos adicionales que se vuelven importantes a energías de colisión más bajas, donde se producen menos hadrones. Este avance fue posible porque los investigadores identificaron vínculos entre las ecuaciones utilizadas en los modelos de dipolos y aquellas encontradas en la teoría de la complejidad.

Para probar este modelo de dipolo generalizado, el Dr. Lokos sugirió compararlo con datos experimentales reales del LHC. Se incluyeron mediciones de los experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Juntos, estos datos abarcan un amplio rango de energías de colisión, desde 0.2 teraelectronvolts hasta 13 TeV, que es la energía más alta actualmente alcanzable en el LHC.

"En nuestro artículo, mostramos que el modelo de dipolo generalizado describe los datos existentes con mayor precisión que los modelos de dipolo anteriores y, además, funciona bien en un rango más amplio de energías de colisión de protones", afirmó el Prof. Kutak.

Entropía y una regla fundamental de la mecánica cuántica

Esto plantea una pregunta clave. ¿La entropía durante la fase dominada por quarks y gluones de una colisión de protones difiere de la entropía de los hadrones que luego escapan de la zona de colisión? Según la fórmula de Kharzeev-Levin para la entropía, no debería. El nuevo análisis confirma esta predicción. Mientras que este resultado sorprende a algunos físicos, otros lo ven como un resultado natural de uno de los principios más básicos de la mecánica cuántica conocido como unitariedad.

La unitariedad puede sonar abstracta, pero la idea en sí es sencilla. Las ecuaciones que describen cómo evoluciona un sistema cuántico en el tiempo deben conservar la probabilidad total, que siempre suma uno, y deben permitir que los procesos sean reversibles. En términos simples, la unitariedad significa que la información y la probabilidad no pueden desaparecer ni aparecer de la nada.

"La unitariedad de la mecánica cuántica es algo que los estudiantes de física aprenden. El formalismo de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe el mundo de los quarks y gluones, se basa en la unitariedad. Sin embargo, es una cosa lidiar con una teoría que exhibe una cierta característica a nivel de quarks y gluones a diario, y otra muy distinta observarla en datos reales sobre los hadrones producidos", señala el Prof. Kutak. Agrega que la unitariedad hace posible extraer información sobre la entropía de los partones a través de un amplio rango de energías de colisión.

¿Qué sigue para probar el modelo?

Se esperan más pruebas del modelo de dipolo generalizado en los próximos años. Tras la actualización planificada del LHC, el detector ALICE mejorado podrá estudiar regiones donde las interacciones de gluones son aún más densas que las examinadas hasta ahora. También se esperan nuevos conocimientos del Colisionador Electrón-Ión (EIC), que actualmente se está construyendo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en EE. UU. En el EIC, los electrones colisionarán con protones. Dado que los electrones son partículas elementales, estos experimentos ofrecerán una forma más clara de sondear los sistemas densos de gluones dentro de protones individuales.

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