Hallan evidencia de 'coalescencia de quarks' en colisiones del LHC – Physics World

Los físicos que trabajan en el experimento LHCb han visto pruebas de que la “coalescencia de quarks” desempeña un papel en la evolución de los quarks a hadrones tras las colisiones de protones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este mecanismo, que se propuso originalmente en la década de 1980, tiene quarks existentes con funciones de onda superpuestas que combinan en lugar de crear nuevos quarks. Es más pronunciado en momentos transversales bajos y se apaga gradualmente a medida que los quarks escapan rápidamente del punto de colisión.

Los quarks son las partículas que forman los protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos y muchos otros hadrones (partículas pesadas) que sienten la interacción fuerte. Una de sus características más extrañas es que nunca pueden observarse de forma aislada. La razón principal es que, a diferencia de la gravedad, el electromagnetismo y la interacción débil, cuya fuerza disminuye con la distancia, el efecto de la interacción fuerte crece a medida que los quarks unidos se alejan más. Si los quarks están lo suficientemente separados, el campo de gluones que media la interacción fuerte contiene suficiente energía para crear pares partícula-antipartícula. Estos se unen a los quarks originales, creando nuevas partículas unidas que pueden ser mesones (combinaciones de un quark y un antiquark) o bariones (que comprenden tres quarks). Este proceso se llama fragmentación.

Sin embargo, los experimentos que involucran colisiones de iones pesados ​​han sugerido que esto no es todo. Los físicos creen que los quarks también pueden combinarse en el denso plasma de quarks-gluones que se forma al romper estas grandes partículas en un proceso llamado coalescencia.

"Tienes una colisión, se forman un montón de pares quark-antiquark que comienzan a alejarse uno del otro, y debido a la dualidad onda-partícula, cada partícula tiene una longitud de onda que en cierto modo te dice qué tan grande es", explica Matt Durham de Laboratorio Nacional de Los Alamos en los EE. UU., que es miembro de la colaboración LHCb.

Los quarks existentes se combinan

“Si tienes tres quarks que se superponen, los congelas juntos formando un barión; si tienes dos quarks que se superponen, los congelas juntos formando un mesón; si tienes un quark que no se superpone con ningún otro, tiene que fragmentarse”, explica Durham. “Así que la coalescencia toma los quarks que se producen en la colisión y los une; La fragmentación requiere que se generen nuevos quarks a partir del vacío”.

La coalescencia en colisiones de iones pesados ​​ha sido "generalmente aceptada", dice Durham, porque de otro modo es difícil explicar las proporciones de protones a piones producidas en los experimentos. Sin embargo, las colisiones de iones pesados ​​son complicadas y las predicciones teóricas son inevitablemente imprecisas. En la nueva investigación, el equipo del LHCb estudió la producción de quarks b en colisiones protón-protón. A veces llamado quark inferior o quark belleza, el quark b es el segundo quark más masivo en el modelo estándar de física de partículas.

Es casi seguro que la producción de quarks b producirá un barión b-lambda o un barión B.⁰ mesón, los cuales contienen ab quark. La relación de producción entre estos dos se ha estudiado ampliamente en experimentos en los que el quark b se produce mediante colisiones electrón-positrón, un proceso que sólo puede conducir a la fragmentación. "Si sólo hay fragmentación, esta proporción debería ser universal", dice Durham.

El equipo del LHCb revisó datos de varios años sobre colisiones protón-protón y estudió los productos de desintegración de las colisiones que habían producido quarks b. Para colisiones con momentos transversales elevados en relación con los haces en colisión y pocas otras partículas salientes detectadas al mismo tiempo, la relación barión-mesón fue aproximadamente igual a la relación en los experimentos de electrones y positrones.

Más bariones

Sin embargo, a medida que los momentos transversales disminuyeron y el número de otras partículas detectadas simultáneamente creció, la proporción de bariones aumentó gradualmente en relación con la proporción de mesones. Esto, concluyeron los investigadores, era una evidencia clara de que en estas colisiones estaba involucrado otro proceso con mayor probabilidad de producir bariones. En este escenario, el quark b está rodeado por otros quarks, pero se volvió cada vez más desfavorecido a medida que el quark producido estaba más separado de las otras partículas. "Realmente se necesita fusión para explicar eso", dice Durham, quien añade: "Creo que aquí lo hemos demostrado de manera bastante definitiva".

"Definitivamente los datos me parecen convincentes", dice el teórico Ralf Rapp de la Universidad Texas A&M; “Solía ​​haber una desconexión entre sistemas muy pequeños (el extremo era electrón-positrón, donde sólo hay un par quark-antiquark) y los sistemas de iones pesados, donde hay miles de quarks. La forma en que realmente exponen su punto es mostrar sistemáticamente cómo el efecto desaparece y recupera el límite electrón-positrón en función de cuántos hadrones se observan, que es una medida observable que mide cuántos quarks y antiquarks hay para fusionarse”.

Experimentador Anselm Vossen de la Universidad de Duke en Carolina del Norte está de acuerdo en que el trabajo es “muy bueno”, pero señala que las suposiciones subyacentes utilizadas para calcular las fracciones de fragmentación implican que los quarks estén aislados, por lo que tal vez no sea sorprendente que den resultados incorrectos con momentos transversales bajos cuando esto no es el caso. "Todos estos son modelos", dice. "Es muy sugerente que si usas algo en el modelo de coalescencia funciona, pero eso no significa que sea 'la verdad'".

La investigación se describe en Physical Review Letters.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/