La colaboración ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) informa que las colisiones de protones a veces presentan patrones similares a los observados en las colisiones de núcleos pesados.
Este comportamiento fue detectado a través de la observación de los llamados hadrones extraños en ciertas colisiones de protones en las que se crean un gran número de partículas. Los hadrones extraños son partículas bien conocidas con nombres como Kaon, Lambda, Xi y Omega, todos los cuales contienen al menos un llamado quark extraño.
La observada "producción mejorada de partículas extrañas" es una característica conocida del plasma de quarks-gluones, un estado de materia muy caliente y denso que existía sólo unas pocas millonésimas de segundo después del Big Bang y que comúnmente se genera en colisiones de núcleos pesados.
Pero es la primera vez que un fenómeno semejante se observa sin ambigüedad en las raras colisiones de protones en las que se crean muchas partículas. Este resultado, publicado en Nature Physics, es probable que desafíe modelos teóricos existentes que no predecir un aumento de partículas extrañas en estos eventos.
"Estamos muy entusiasmados con este descubrimiento", dijo en un comunicado Federico Antinori, portavoz de la colaboración de ALICE en el CERN (European Organization for Nuclear Research). "Estamos aprendiendo mucho acerca de este estado primordial de la materia. Ser capaces de aislar los fenómenos del tipo quark-gluón-plasma en un sistema más pequeño y más simple, como la colisión entre dos protones, abre una dimensión completamente nueva para el estudio de las propiedades del estado fundamental de que nuestro universo surgió".
El estudio del plasma del quark-gluon proporciona una manera de investigar las características de la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, mientras que la producción realzada de la extrañeza es una manifestación de este estado de la materia. El plasma de quark-gluón se produce a una temperatura y densidad energética suficientemente altas, cuando la materia ordinaria experimenta una transición a una fase en la que los quarks y los gluones se vuelven "libres" y, por lo tanto, ya no se confinan dentro de los hadrones.
Estas condiciones pueden obtenerse en el Gran Colisionador de Hadrones al chocar con núcleos pesados de alta energía. Los quarks extraños son más pesados que los quarks que componen la materia normal, y típicamente más difícil de producir. Pero esto cambia en presencia de la alta densidad energética del plasma quark-gluón, que reequilibra la creación de quarks extraños en relación con los no extraños. Este fenómeno puede ahora haber sido observado también en las colisiones de protones.
En particular, los nuevos resultados muestran que la tasa de producción de estos extraños hadrones aumenta con la multiplicidad -el número de partículas producidas en una colisión dada- más rápido que la de otras partículas generadas en la misma colisión. Aunque la estructura del protón no incluye quarks extraños, los datos también muestran que cuanto mayor es el número de quarks extraños contenidos en el hadrón inducido, más fuerte es el aumento de su tasa de producción.
No se observa dependencia de la energía de colisión o de la masa de las partículas generadas, lo que demuestra que el fenómeno observado está relacionado con el extraño contenido de quark de las partículas producidas. La producción de extrañeza se determina en la práctica contando el número de partículas extrañas producidas en una colisión dada y calculando la proporción de partículas extrañas a no extrañas.
Se ha sugerido que la producción de extrañeza mejorada es una posible consecuencia de la formación de plasma de quark-gluón desde principios de los ochenta y que se descubrió en colisiones de núcleos en los años noventa mediante experimentos en el Super Proton Synchrotron del CERN. Otra posible consecuencia de la formación de plasma de gluón quark es una correlación espacial de las partículas de estado final, causando una alineación preferencial distinta con la forma de una cresta.
Después de su detección en colisiones de núcleos pesados, la cresta también se ha visto en colisiones de protones de alta multiplicidad en el Gran Colisionador de Hadrones, dando la primera indicación de que las colisiones de protones podrían presentar propiedades de núcleos pesados. El estudio más preciso de estos procesos será clave para comprender mejor los mecanismos microscópicos del plasma de quark-gluón y el comportamiento colectivo de las partículas en sistemas pequeños.
El experimento ALICE ha sido diseñado para estudiar colisiones de núcleos pesados. También estudia las colisiones protón-protón, que proporcionan principalmente datos de referencia para las colisiones de núcleos pesados. Las medidas informadas se han realizado con datos de colisión de protón de 7 TeV de la prueba LHC 1.
