Las colisiones de protones de alta energía pueden imaginarse como un mar ondulante de quarks y gluones, incluidas partículas virtuales de vida corta. A primera vista, este entorno extremo parece ser mucho más complejo que la etapa posterior, cuando salen menos partículas y más estables del lugar de la colisión. Se podría esperar que las partículas se comportaran de manera muy diferente en esta etapa temprana. Pero los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) muestran que esta intuición es engañosa. Los resultados se explican mejor mediante un modelo refinado que captura cómo se desarrollan realmente las colisiones de protones.
Cuando dos protones chocan a muy alta energía, se produce instantáneamente una gran cantidad de energía. Los protones son hadrones, lo que significa que están formados por partones, incluidos quarks y gluones que los mantienen unidos. Durante las colisiones, estos quarks y gluones, incluidos los virtuales que aparecen sólo 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 mediante experimentos. Con base en esta imagen, parece razonable suponer que el desorden del sistema, conocido como entropía, debería cambiar entre la fase inicial de partón y la fase posterior de hadrón. La fase parton parece particularmente caótica, con muchas partículas interactuando entre sí.
Nuevas investigaciones sobre la entropía en las colisiones de protones
Los últimos resultados sobre esta cuestión se publican en Physical Review D por el Prof. Krzysztof Kutak y el Dr. Sandor Lokus del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia. Su trabajo se centró en comparar la entropía de la fase inicial del quark-gluón con la entropía de la partícula finalmente producida y medida.
“En física de altas energías, los llamados modelos dipolares se utilizan desde hace algún tiempo para describir la evolución de los sistemas de gluones densos. Estos modelos suponen que cada gluón puede representarse mediante un par quark-antiquark que forma un dipolo de dos colores; aquí no estamos hablando de colores simples, sino de propiedades de la carga ziplum. Los modelos basados en el número promedio de hadrones producidos en colisiones nos permiten estimar la entropía del partón”, explica el profesor Kutak, quien ha estudiado la entropía de los sistemas de quarks y gluones durante más de diez años
Mejorando el modelo dipolo con nuevas ideas
Hace dos años, el profesor Kutak y el Dr. Powell de la Universidad de Estocolmo introdujeron una versión actualizada del modelo dipolo de Caputa. Comienzan con un modelo establecido que describe cómo evolucionan los sistemas de gluones y lo consideran como la contribución dominante. Luego añaden efectos adicionales que se vuelven importantes en energías de colisión más bajas, donde se producen menos hadrones. Este progreso fue posible porque los investigadores identificaron vínculos entre las ecuaciones utilizadas en los modelos dipolares y las encontradas en la teoría de la complejidad.
Para probar este modelo dipolar simple, el Dr. Loks sugirió compararlo con datos experimentales reales del LHC. Se incluyeron mediciones de los experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. En conjunto, estos datos abarcan una amplia gama de energías de colisión, desde 0,2 teraelectronvoltios hasta 13 TeV, las energías más altas que se pueden alcanzar actualmente en el LHC.
“En nuestro artículo mostramos que el modelo dipolar generalizado describe los datos existentes con mayor precisión que los modelos dipolares anteriores y, además, funciona bien en una amplia gama de energías de colisión de protones”, dijo el profesor Kutak.
Una ley clave de la entropía y la mecánica cuántica
Esto plantea una pregunta clave. ¿Es la entropía de la fase dominada por quarks y gluones de las colisiones de protones diferente de la entropía de los hadrones que luego escapan de la región de colisión? Según la fórmula de entropía de Kharjiv-Levin, no debería ser así. Un nuevo análisis confirma esta predicción. Si bien este resultado sorprende a algunos físicos, otros lo ven como una consecuencia natural de los principios más fundamentales de la mecánica cuántica conocidos como singularidades.
La unidad puede parecer abstracta, pero el concepto en sí es sencillo. Las ecuaciones que describen cómo evoluciona un sistema cuántico en el tiempo deben conservar el potencial total, que siempre suma uno, y deben permitir invertir los procesos. En pocas palabras, unidad significa que la información y el potencial no pueden ser invisibles ni aparecer de la nada.
“La singularidad de la mecánica cuántica es algo que aprenden los estudiantes de física. El formalismo de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe el mundo de los quarks y los gluones, se basa en la singularidad. Sin embargo, se trata de una teoría que exhibe una determinada propiedad a nivel de los quarks y crea otra realidad basada en los hadrones cotidianos”, señala el profesor Kutak. Añade que la unificación permite extraer información sobre la entropía del partón en una amplia gama de energías de colisión.
¿Qué sigue para las pruebas de modelos?
En los próximos años se esperan más pruebas del modelo dipolo simple. Después de la actualización planificada del LHC, el detector ALICE mejorado podrá estudiar regiones donde las interacciones de gluones son más densas que las examinadas hasta ahora. También se esperan conocimientos adicionales del colisionador de iones de electrones (EIC), actualmente en construcción en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Estados Unidos. En EIC, los electrones chocan con los protones. Dado que los electrones son partículas elementales, estos experimentos proporcionarán una forma clara de sondear sistemas de gluones densos dentro de protones individuales.
