Los científicos revelan los secretos de los primeros momentos del universo

Sus esfuerzos se centraron en mapear la “sopa primordial” que llenó el universo en la primera millonésima de segundo después de su creación.

Físicos de la Universidad Eötvös Loránd estudiaron los componentes del núcleo atómico utilizando los tres aceleradores de partículas más avanzados del mundo. Su investigación tiene como objetivo explorar la «sopa primordial» que existió en el universo durante los primeros microsegundos después de su creación. Curiosamente, sus hallazgos sugieren que el movimiento de partículas observado se asemeja a la búsqueda de presas de depredadores marinos, los patrones del cambio climático y las fluctuaciones del mercado de valores.

Inmediatamente después del accidente la gran explosiónLas temperaturas eran tan extremas que ni los núcleos atómicos ni los nucleones, sus componentes básicos, podían existir. De ahí que, en este primer caso, el universo estuviera lleno de una “sopa primordial” de quarks y gluones.

A medida que el universo se enfrió, este medio sufrió un proceso de «congelación», que dio lugar a la formación de las partículas que conocemos hoy, como los protones y los neutrones. Este fenómeno se replica a una escala mucho menor en experimentos con aceleradores de partículas, donde las colisiones entre dos núcleos crean pequeñas gotas de materia de quarks. Estas gotas eventualmente se convierten en materia normal mediante la congelación, una transformación conocida por los investigadores que realizan estos experimentos.

Diferencias en la materia de los quarks

Sin embargo, las propiedades de la materia de los quarks difieren debido a las diferencias de presión y temperatura resultantes de la energía de colisión en los aceleradores de partículas. Esta diferencia requiere mediciones para «escanear» la materia en aceleradores de partículas de diferentes energías, como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) en Estados Unidos, o el Colisionador de Superprotones (SPS) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza.

«Este aspecto es tan importante que se están creando nuevos aceleradores en todo el mundo, por ejemplo en Alemania o Japón, específicamente para este tipo de experimentos. «Quizás la pregunta más importante es cómo se produce la transición entre fases: puede aparecer un punto crítico en el mapa de fases.”, explica Mati Chanad, profesor de Física en el Departamento de Física Atómica de la Universidad Eötvös Lorand (ELTE).

Un montaje de pistas reconstruidas a partir de colisiones reales y fotografías de los detectores involucrados, en el Laboratorio Nacional Brookhaven y en el CERN. Fuente: Montaje realizado por Máté Csanád / Universidad Eötvös Loránd Imágenes originales del montaje: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory y CMS és NA61: CERN

El objetivo a largo plazo de la investigación es profundizar nuestra comprensión de la interacción fuerte que gobierna las interacciones en la materia de los quarks y en los núcleos atómicos. Nuestro nivel actual de conocimiento en este campo puede compararse con la comprensión que tenía la humanidad de la electricidad en las eras de Volta, Maxwell o Faraday. Si bien tenían una idea de las ecuaciones básicas, fue necesario mucho trabajo experimental y teórico para desarrollar las tecnologías que transformaron profundamente la vida cotidiana, desde la bombilla hasta los televisores, los teléfonos, las computadoras e Internet. Del mismo modo, nuestra comprensión de la interacción fuerte aún se encuentra en una etapa temprana, lo que hace que la investigación para explorarla y mapearla sea crucial.

Innovaciones en femtoscopia

Los investigadores del ELTE han participado en experimentos con cada uno de los aceleradores mencionados anteriormente, y su trabajo durante los últimos años ha dado lugar a una imagen completa de la geometría de la materia de los quarks. Lo lograron aplicando técnicas femtoscópicas. Esta técnica utiliza correlaciones que surgen de la naturaleza ondulatoria no clásica, de tipo cuántico, de las partículas producidas, que finalmente revelan la estructura femtométrica del medio, que es la fuente de la emisión de partículas.

Investigadores de la Universidad Eötvös trabajan para recopilar datos para el experimento STAR en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Crédito: Máté Csanád / Universidad Eötvös Loránd

“En décadas anteriores, la femtocopia se realizaba partiendo del supuesto de que la materia de los quarks sigue una distribución normal, es decir, una forma gaussiana que se encuentra en muchos lugares de la naturaleza”, explica Marton Nagy, uno de los investigadores principales del grupo.

Sin embargo, los investigadores húngaros han recurrido al proceso de Levy, también conocido en varias disciplinas científicas, como un marco más general, que es una buena descripción de la búsqueda de presas por parte de los depredadores marinos, los procesos del mercado de valores e incluso el cambio climático. Una característica distintiva de estos procesos es que en ciertos momentos sufren variaciones muy grandes (por ejemplo, cuando un tiburón busca alimento en un área nueva), y en tales casos puede ocurrir una distribución de fibras en lugar de una distribución normal (gaussiana).

Implicaciones y papel de ELTE

Esta investigación es de gran importancia por varias razones. En primer lugar, una de las características más estudiadas de la congelación de la materia de los quarks en materia hadrónica es el radio femtoscópico (también llamado radio HBT, en referencia al conocido efecto Hanbury-Brown y Twyss). En astronomía), se deriva de mediciones femtoscópicas. Sin embargo, esta medida depende de la geometría supuesta del medio. Como resume Daniel Kinsis, investigador postdoctoral del grupo, «si el supuesto gaussiano no es óptimo, los resultados más precisos de estos estudios sólo pueden obtenerse bajo el supuesto de Lévy. El valor del exponente de Lévy, que caracteriza la distribución de Lévy, puede También arrojan luz sobre la naturaleza de la transición de fase y, por tanto, su variación con la energía de colisión proporciona información sobre las diferentes fases de la materia de los quarks.

Los investigadores de ELTE participan activamente en cuatro experimentos: NA61/SHINE en el acelerador SPS, PHENIX y STAR en RHIC y CMS en el LHC. El grupo NA61/SHINE de ELTE está liderado por Yoshikazu Nagai, y el grupo CMS está liderado por Gabriela Pastor; y los grupos RHIC establecidos por Máté Csanád, quien también coordina la investigación femtoscópica en ELTE.

Estos grupos hacen contribuciones significativas al éxito de los experimentos en diversas capacidades, desde el desarrollo de reactivos hasta la adquisición y análisis de datos. También participan en numerosos proyectos teóricos e investigaciones. «Lo que es único en nuestra investigación sobre femtoscopia es que se realiza en cuatro experimentos en tres aceleradores de partículas, lo que nos brinda una visión amplia de la geometría y las posibles fases de la materia de los quarks», dice Matej Chanad.

Referencia: “Un nuevo método para calcular funciones de correlación de Bose-Einstein con interacción del estado final de Coulomb” por Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad y Daniel Kinsis, 8 de noviembre de 2023, Revista física europea C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y