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Estudio teórico del MIT predice cambios asimétricos en quarks pesados dentro del plasma primordial

Físicos del MIT y la Universidad de California en Santa Bárbara calcularon cómo un quark pesado relativista podría cambiar su momento al atravesar un gas de quarks y gluones. El trabajo, comunicado por MIT como un resultado de investigación, predice golpes grandes y asimétricos que podrían ayudar a estudiar la estructura del plasma si se comparan con experimentos; esa comprobación aún no se ha informado.

Las claves

  • Físicos del MIT y UCSB calcularon cómo un quark pesado relativista podría cambiar su momento al atravesar un gas de quarks y gluones débilmente interactuantes.
  • El cálculo predice una distribución similar a una campana para golpes pequeños, pero cambios grandes más frecuentes y asimétricos.
  • La comparación con experimentos se plantea como una posible vía para estudiar la estructura microscópica del plasma; la fuente no informa de una comprobación experimental de la predicción.

Un cálculo para estudiar el plasma primordial

En la primera fracción de segundo posterior al Big Bang, la materia existió como un plasma de quarks y gluones a un billón de grados. Esa mezcla de partículas duró unos pocos microsegundos, antes de que sus componentes se unieran para formar protones y neutrones más estables. Para estudiar este fluido primordial, los científicos recrean plasmas de quarks y gluones en aceleradores de partículas: las colisiones de iones producen gotas aproximadamente del tamaño de un núcleo atómico, que existen apenas decenas de septillonésimas de segundo. MIT

Una estrategia consiste en seguir partículas pesadas que no forman parte del plasma, pero lo atraviesan. La manera en que se mueven puede revelar aspectos de la estructura microscópica del fluido. Sin embargo, trasladar sin cambios la descripción clásica del movimiento browniano a estas condiciones extremas presenta un problema: a velocidades cercanas a la de la luz, la relación esperada entre el arrastre y las fluctuaciones del fluido no captura por completo las interacciones.

Físicos del MIT y de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) desarrollaron una teoría que predice cómo un fluido puede empujar y frenar una partícula relativista. Según la noticia de MIT, el equipo propone que la teoría podría aplicarse a quarks pesados que atraviesan el plasma de quarks y gluones. Sus predicciones podrían compararse con experimentos para caracterizar la estructura microscópica del plasma; la noticia no informa que esa comprobación ya se haya realizado. MIT

De los golpes brownianos a los cambios relativistas

En 1905, Albert Einstein describió cómo el movimiento irregular de partículas suspendidas en un fluido puede aportar información sobre las fuerzas microscópicas de ese medio. En esa explicación, el movimiento resulta de un equilibrio entre el arrastre, que tiende a frenar la partícula, y los empujes aleatorios del fluido. La probabilidad de esos empujes se representa con una curva en forma de campana: son más probables los de intensidad intermedia y menos probables los extremos.

En el nuevo estudio, Jean Du Plessis, del Centro de Física Teórica del MIT, y Bruno Scheihing-Hitschfeld, del Instituto Kavli de Física Teórica de UCSB, calcularon las fuerzas que experimentaría un quark pesado al moverse a velocidades relativistas por un fluido. Para ello realizaron cálculos de la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a quarks y gluones. Como punto de partida eligieron un gas de quarks y gluones débilmente interactuantes, porque las interacciones débiles hacían manejables los cálculos.

A partir de ese escenario calcularon cuánto podría cambiar el momento del quark y obtuvieron una distribución de probabilidades para esos cambios. Para los golpes pequeños, la curva conserva una forma similar a una campana. En cambio, sus extremos son desiguales: los golpes grandes son más frecuentes de lo que anticiparía la curva browniana y no tienen la misma probabilidad en direcciones opuestas. En particular, es más probable un golpe grande que frene al quark más de lo esperado por el arrastre que uno de tamaño equivalente que lo deje avanzando más rápido de lo previsto. MIT

Aspecto Imagen browniana habitual Predicción para quarks pesados relativistas
Cambios pequeños Distribución con forma de campana Forma similar a una campana
Golpes grandes Muy poco frecuentes en los extremos Más frecuentes de lo que predice la campana
Dirección de los golpes extremos La distribución habitual no describe la asimetría señalada Es más probable el golpe que frena más al quark que uno equivalente que lo acelera respecto de lo esperado

La tabla resume el cálculo teórico comunicado por MIT; no representa una distribución medida experimentalmente. MIT

Una estructura que podría ofrecer nuevas pistas

El equipo repitió el cálculo para plasmas compuestos por distintas partículas y encontró la misma curva inclinada, con independencia de la composición considerada. También identificó una estructura similar en un cálculo anterior de un plasma fuertemente acoplado, pese a las diferencias en la física microscópica. Du Plessis describió este patrón como aparentemente universal y señaló que el trabajo lo formaliza. La fuente presenta esos resultados como cálculos teóricos, no como una corroboración experimental independiente. MIT

La posible utilidad del resultado depende de cómo se comporten los quarks pesados en experimentos. Si la frecuencia de los cambios grandes depende de la naturaleza microscópica del plasma, medirlos podría aportar información adicional sobre el medio. Los autores plantean comparar sus predicciones con experimentos para caracterizar el plasma y estudiar qué tipo de fluido existió en los primeros momentos del universo. Esa comparación se presenta como una posibilidad futura, no como un resultado ya obtenido.

Du Plessis también interpreta que el plasma primordial pudo ser más parecido a un líquido que a un gas y más fuertemente interactuante de lo que sugeriría el modelo browniano. La noticia atribuye esa interpretación al investigador; no la presenta como una observación directa del plasma primordial. MIT

Investigación y contexto institucional

MIT informa que Du Plessis y Scheihing-Hitschfeld reportaron sus resultados ese día en Physical Review Letters. La investigación recibió apoyo parcial de la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) y la Fundación Simons. MIT

Como contexto institucional, la NSF indica que apoya investigación básica y aplicada principalmente mediante subvenciones, además de respaldar colaboraciones e infraestructura científica. Esa información describe el papel general de la agencia, pero no confirma de manera independiente los resultados del estudio. NSF: apoyo a la investigación

La referencia de la NSF sobre investigación de materiales describe programas centrados en comprender materiales, sus propiedades y posibles aplicaciones. No aporta información específica sobre el plasma de quarks y gluones ni valida el cálculo comunicado por MIT. NSF: investigación sobre materiales

Lo que sabemos y sus límites

El resultado descrito es teórico y parte de un escenario de quarks y gluones débilmente interactuantes elegido para hacer manejables los cálculos. La aplicación al plasma de quarks y gluones y la comparación con experimentos se presentan como posibilidades, no como resultados ya realizados. La aparente universalidad se basa en cálculos para plasmas distintos y en la comparación con un cálculo anterior, no en una corroboración experimental independiente. Las referencias de la NSF aportan contexto institucional y no verifican el hallazgo.

Sigue la evidencia

Las fuentes originales para explorar esta explicación y sus límites.

  1. Estudios y resultados: cómo apoya NSF la investigación NSF
  2. Cómo se organiza la investigación sobre materiales y sus resultados NSF
    Referencia institucional de contexto. No constituye confirmación independiente de los resultados de la fuente principal.
  3. Pinning down the structure of quark-gluon plasma, the universe’s first fluid MIT
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