La misteriosa anomalia detectada al CERN apunta cap a una nova física?

Clic per engrandir. Una imatge del túnel amb el LHC. Crèdit: CERN.

Com funciona l’accelerador de partícules més gran? Actualment, a cavall entre
França i Suïssa, el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) permet col·lisions
de protons a una energia de 13 TeV (teraelectronvolts). Descobriu com funciona
aquesta impressionant eina en vídeo gràcies al CERN. 

Diverses extensions del model estàndard, com el tecnicolor o la composició, prediuen l'existència de leptoquarks, partícules capaces de canviar els quarks en leptons i provocar la desintegració de protons. Rastrejats durant dècades, poden ser responsables de misterioses anomalies en la decadència de certes partícules observades amb el detector LHCb al CERN.

L'LHC continua la seva transformació en un camí que condueix a feixos de protons més intensos. Les col·lisions per segon seran llavors més nombroses, cosa que potser permetrà observar,  mitjançant reaccions de producció de partícules certs processos rars, que podrien delatar l'existència d'una nova física. Òbviament, el més interessant de l'LHC d’alta lluminositat projectat seria observar finalment partícules completament noves. Fins ara, hi ha hagut una gran decepció en aquest sentit. És cert que es van destacar més de 50 nous hadrons en els esdeveniments produïts durant les anteriors "tirades" de l'LHC i del CERN, fins i tot recentment, va anunciar que havia obtingut indicacions convincents a favor de l’existència de boles de gluons formades per tres gluons. Però es tracta de partícules i ressonàncies, com diuen els físics en el seu argot, que són més o menys predites pel Model Estàndard, principalment per la teoria de les fortes interaccions entre quarks d’hadrons.

Molts van creure plausible que els gegants detectors Atlas i CMS ens revelessin una nova física amb la detecció de partícules de matèria fosca. Però podria ser que la propera revolució de la física d’alta energia s’iniciï ara mateix mitjançant dades misterioses que s’acumulen en els esdeveniments estudiats per un detector de mida més modesta: el LHCb (Large Hadron Collider Beauty).

Clic a la imatge per engrandir. La teoria estàndard de la física de partícules separa les partícules elementals que formen la matèria en dues famílies: leptons i quarks. Cada família té sis partícules, agrupades en parelles o "generacions". Les partícules més estables, que són les més lleugeres, constitueixen la primera generació, mentre que les més pesades i menys estables pertanyen a la segona i tercera generació. Els sis tipus de leptons s’agrupen en tres generacions: l’electró i el neutrí de l’electró, el muó i el neutrí del muó i, finalment, el tau i el neutrí de tau. De la mateixa manera, els sis tipus de quarks s’agrupen en parelles en cadascuna d’aquestes generacions: el quark u i el quark d formen la primera generació, després vénen el quark c i el quark s i, finalment, el quark t i el quark b.© Daniel Domínguez, CERN.

Quark bellesa i l'enigma de l'antimatèria

Un dels principals objectius d'aquest detector és estudiar la física de les partícules que contenen almenys un quark "bellesa", també anomenat quark b. Es designa així un membre d’una família de sis quarks que transporta una quantitat conservada (només per la força electromagnètica i la força nuclear forta) anàloga a la càrrega elèctrica i que hom anomena bellesa. Els quarks estan connectats en el model estàndard a una altra interacció fonamental anomenada força elèctrica feble. Combina en un marc unificat la teoria de la força electromagnètica i la teoria de la força nuclear feble, responsable de la radioactivitat beta, i que també participa en les reaccions que fan brillar el Sol.

La teoria electrofeble implica l'existència de nous bosons que són cosins de fotons i que són anomenats els bosons W i Z. Uneix les partícules que són leptons, com els neutrins i els electrons, que també formen una família de sis partícules. El model estàndard prediu les reaccions de conversió i aniquilacions dels quarks en altres quarks  mitjançant l'emissió de bosons W, Z i fotons. Les reaccions amb hadrons que contenen quarks bellesa són interessants perquè estan relacionades amb el que s’anomena la violació de la simetria CP, que permet pensar en solucions a l’enigma de l’antimatèria cosmològica. Aquesta és una oportunitat per intentar entendre per què el Big Bang sembla haver deixat només matèria i no una barreja de matèria i antimatèria a parts iguals, com implica la física coneguda. 

Descobriu una presentació de la col·laboració de LHCb al Cern en aquest vídeo.
Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Cern, YouTube

Una violació de la universalitat d'una força?

Però, avui, com els físics de la col·laboració LHCb han fet saber mitjançant un article d’accés obert a arXiv, es una violació de la universalitat leptònica que sembla apuntar el nas a la desintegració de certs mesons que contenen quarks bells.

Segons el model estàndard, les partícules amb quark b haurien de desintegrar-se amb la mateixa probabilitat en electró, muó o tauó (bé, gairebé, aquests leptons no tenen les mateixes masses, cosa que influeix una mica en les taxes de desintegració). Aquest fenomen es descriu com una il·lustració del que, per tant, s'anomena universalitat leptònica, que expressa que el  model electrofeble de Glashow -Salam-Weinberg (que porta el nom dels seus descobridors) tracta els leptons en igualtat de condicions (les seves diferències de massa són properes). Cosa similar a la llei de la gravitació universal, que se suposa que és la mateixa per a totes les partícules.

En el cas que intriga els físics de LHCb, tenim mesons B⁺ que poden desintegrar-se segons dos canals, com diem, donant cada vegada un mesó K⁺ però també un parell d’un tipus de leptó (parlem de sabors com per als sis quarks diferents) i la seva antipartícula, per exemple un muó amb càrrega positiva i negativa (K⁺ i µ + µ^-) o un parell positró-electró (K⁺ i e + e^-). Aquestes desintegracions, que impliquen la transformació d'un quark de bellesa en un quark estrany (b -> s), són extremadament rares, ocorrent a un ritme de només una desintegració del mesó B⁺ entre de dos milions.

Però els físics van acabar ressaltant-los i, sobretot, semblava haver-hi una violació de les prediccions de física conegudes a l’alçada de 3,1 sigmes, cosa que en termes de probabilitat significa que hi ha un 0,1% de probabilitats que l’efecte es degui a l’atzar.

Però, per petit que sigui aquest nombre, i que ens pugui fer creure que podem parlar de descobriment, enganya la nostra intuïció de l’atzar i de fet, és relativament habitual tenir els resultats d’experiments que semblen no ser capaços de reflectir les mesures. Els investigadors esperarien cinc sigmes a anunciar l’inici d’una revolució.

Suposem que l’efecte és real, tal com podrem esbrinar en els propers anys. Però ja ho podem explicar amb una nova física?

 Clic per engrandir. Els diagrames de Feynman associats als càlculs de la teoria
quàntica de camps descriuen com un mesó B⁺ compost per un quark u i un antiquark
bell pot degradar-se en diferents canals leptònics (leptó + el seu antileptó)
acompanyant la producció d’un mesó K⁺. El primer mostra el que s’espera del
model estàndard en física de partícules, el segon mostra la reacció amb un
leptoquark. © Cern LHCb col·laboració.

La resposta és probablement sí, i és possible que estiguem a punt de descobrir l’existència de leptoquarks.

Partícules que transmuten quarks a leptons i viceversa

Aquestes partícules porten tipus d'anàlegs de les càrregues elèctriques associades als quarks i als leptons (tècnicament, són els nombres bariònics i de leptons que es conserven durant les reaccions conegudes entre les partícules). Aquesta propietat els permet transformar-se el primer en el segon i viceversa.

Aquests leptoquarks apareixen en diverses teories proposades per anar més enllà de la teoria estàndard. Per exemple, la teoria tecnicolor i les seves variants assumeixen que el bosó BEH (sigla de Brout, Englert, Higgs) és de fet un estat compost de dues partícules unides per una nova força, anàloga a la interacció nuclear forta que uneix els quarks als hadrons, i en particular als pions, també anomenats mesons de Yukawa.

En la mateixa línia, la teoria de la composició i les seves variants postulen que tots els quarks i leptons són partícules compostes formades per partícules genèricament anomenades preons. Aquestes teories suggereixen que els leptoquarks són pesats i s'han de manifestar directament a energies d'almenys de l'ordre de TeV (mil vegades la massa necessària per crear un protó).

Fragments d’un documental sobre el premi Nobel de física Abdus Salam. Podeu triar
l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Pilgrim Film

Entre els pioners d’aquestes teories, cal esmentar Jogesh Pati i Abdus Salam que desenvoluparen una teoria que unifiqui els quarks i els leptons i les forces nuclears fortes i electrofebles a principis dels anys 70. D’aquí naixerà una segona versió de 1975, que fa intervenir una estructura composta per a quarks i leptons que per tant, deien de ser partícules elementals. Actualment, aquest treball es coneix com el model Pati-Salam.

El que és menys conegut és que el model Pati-Salam va inspirar la més famosa de les teories de la Gran Unificació (GUT), la de Georgi-Glashow basada en el grup de Lie SU(5). A Jogesh Pati també li devem la paraula "preó" per a partícules més elementals que els quarks i els leptons i les que constituirien. De nou és el model de Pati-Salam que inspirarà la més famosa de les teories dels preons, la dels rishons de Harari. Una de les conseqüències observables del model Pati-Salam és l’existència d’un bosó Z’ i sobretot per tant de leptoquarks que permetrien comprendre millor l’existència de tres famílies de leptons i quarks descrits pel model electrofeble i la famosa matriu de Kobayashi-Maskawa.

Els processos amb leptoquarks són molt rars i difícils de demostrar. Però, com que podrien provocar una desintegració del protó, s'ha intentat detectar-lo. De fet, va ser inicialment per observar aquesta desintegració que es va construir l’avantpassat del detector, el Super Kamiokande, que va permetre resoldre l’enigma dels neutrins solars. 

Creuem els dits pel LHCb i també esmenten per acabar, que el model Pati-Salam també pot derivar d’una ambiciosa teoria basada en la geometria no commutativa d’Alain Connes, però aquesta és una altra història.

Feu un viatge a 100 metres sota terra per admirar un detector de física de partícules
a mida natural. Aquest documental ofereix un recorregut per l’experiment LHCb al
CERN acompanyat d’explicacions d’experts en la matèria. ©  LHCb Experiment.

Ho he vist aquí.

Així és com es veu un protó

Clic per engrandir. És difícil obtenir una imatge de l'estructura de la matèria. Els investigadors de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT, Units Units), però, han acceptat el repte. Ofereixen una animació que ens ajuda amb l'estructura del protó.Crèdit: Equip "Visualizing the Proton", MIT, Jefferson Lab.

Com és un protó? Com una bola de billar, però molt petita. Segur. O és clar que no! Perquè al llarg de les dècades, la física ens ha ensenyat que les coses són una mica més complicades que això. Tant és així que s'ha fet difícil imaginar-los. Però els investigadors s'han unit amb artistes per acceptar el repte. Aquí teniu el resultat.

L'àtom és un element fonamental de la nostra realitat, però realment el coneixeu tan bé?

La cadira on esteu asseguts ara mateix. L'ordinador on llegiu aquest tema. I fins i tot l'ocell que escoltes cantant per la finestra oberta. La matèria que ens envolta està feta d'àtoms. Partícules diminutes invisibles per als nostres ulls. Partícules diminutes elles mateixes formades per electrons, de neutrons i protons. Partícules encara més petites. Encara més invisible.

Invisible, però encara molt real. Aleshores, us heu preguntat mai com són aquestes petites partícules? Com petits sistemes solars fet d'electrons que graviten al voltant d'un nucli format per neutrons i protons. Aquesta és la imatge que fa temps que es proposa. Però el físics d'avui saben que no és just així. I com que hem de començar per algun lloc, investigadors del Massachusetts Institute of Technology (MIT, Estats Units) ens conviden a descobrir quin és el protó, una partícula no més gran que un femtòmetre, és a dir, de 10^-15 metres. I atenció al espòiler, no és la bola de billar perfecta que tradicionalment encara ens presenten a l'escola.

Per ser sincers, els investigadors del MIT ja fa gairebé vint anys que hi pensen. Que reflexionin sobre la millor manera de donar-nos una imatge precisa del que és un protó. La idea de fer-ne un simple retrat robot es va descartar ràpidament. Perquè el món de la física de partícules és d'alguna manera... viva! Està evolucionant. Està en moviment. Es creen partícules. Altres desapareixen. Alguns es transformen. I només una animació podria fer palpable aquesta realitat.

Però els físics del MIT realment volien anar més enllà de tot el que es coneixia. De tot el que ja s'havia presentat fins ara. Es van plantejar un autèntic repte: col·laborar amb artistes. Proporcionar una animació que sigui científicament precisa i visualment atractiva. Preneu decisions atrevides que ajudin a "la gent a marxar amb una millor comprensió del seu rendiment i de la física en general".

Clic per engrandir. Aquesta representació del protó -tres boles subjectes en una mena de bola de billar més gran per molles- ens ajuda a entendre la seva estructura: dos quarks up (u) i un quark down (d) units per gluons. Però de cap manera mostra què està passant realment al món quàntic. Crèdit: Dmitry Kovalchuk, Adobe Stock 

El protó, una partícula en última instància no tan esquiva

Abans d'anar més lluny, recordeu que els investigadors han establert que el protó no és una partícula elemental. Està format per tres quarks: dos anomenats quarks up ("amunt" en català) i un anomenat quark down (avall en català). I aquesta força és la que els físics anomenen forta interacció que els uneix. Mitjançant l'intercanvi de gluons. Aquesta interacció és tan poderosa que mai abans s'havien observat quarks i gluons per separat.

Els artistes que van treballar amb els equips del MIT van representar així els quarks com a punts de llum. Punts de llum en moviment el color dels quals canvia constantment, canviant de vermell a verd i blau per representar les càrregues de color que apareixen entre els quarks i els gluons sotmesos a la interacció forta. Perquè segons la teoria quàntica, tots els sistemes de quarks i gluons porten la mateixa quantitat d'aquests tres colors. Tot i que en realitat no són de color blau, vermell o verd.

Aquest animació "Visualitzant el protó" dóna una idea de què és realment aquest constituent dels nuclis atòmics. Crèdit: Equip "Visualizing the Proton", MIT, Jefferson Lab

Els experiments realitzats amb acceleradors de partícules cada cop més eficients també han demostrat als físics que, al cor del protó, generalment són els gluons els que marquen la llei. Però en algunes regions, els quarks prenen el relleu. En pocs anys, un nou instrument, el 'Superconducting Super Collider" (Estats Units), hauria de permetre concretar què passa als límits d'aquestes regions. Però ja, l'equip que va ajudar els investigadors del MIT a produir una representació fidel del protó ha aconseguit construir una animació que tingui en compte la seva estructura canviant. Una estructura dominada pels gluons que se separen i es recombinen constantment quan el "temps d'exposició" -que es correspon una mica a la fracció del moment del protó transportat per un quark o un gluó- és baix. Quan el "temps d'exposició" augmenta, és el procés de creació per part d'un gluó d'un quark i el seu antiquark el que es mostra. Finalment, amb un "temps d'exposició" elevat , apareixen els tres quarks que formen el protó.

Millor que això, els investigadors van aconseguir posar en imatge allò que s'observa quan un s'endintra al cor del protó. En augmentar la resolució espacial. Quan apareixen detalls i un efecte relativista fa que el protó perdi la seva forma de bola i el converteixi en un disc. Durant un temps d'exposició baix, apareix un nombre creixent de gluons. Per a un temps d'exposició elevat, és una estructura bastant tosca, però igualment definida i que inclou tres quarks, que esdevé més marcada.

Els investigadors ara tenen previst treballar en el desenvolupament d'una versió en 3D d'aquesta visualització del protó. Abans de proposar, més tard, una animació del nucli atòmic. I francament, qui no somia seguir-los al meravellós món de la física de l'infinitament petit?.

Ho he vist aquí.

Matèria fosca: Freeman Dyson ha resolt l’enigma amb un hadró de sis quarks?

Clic per engrandir. Els investigadors proposen un escenari per explicar la matèria fosca
basada no només en la física de les partícules conegudes, sinó a partir d’una partícula,
un hexaquark!. Crèdit Imatge: Illustris Project

Un exòtic hadró, format per sis quarks, ja havia estat considerat per Freeman Dyson al 1964. Després del seu probable descobriment fa uns anys, dos físics suggereixen que cúmuls d'aquests hadrons en forma de condensat de Bose-Einstein deixat pel Big Bang podrien donar informació sobre la matèria fosca. 

Probablement és la moda del moment sobre la matèria fosca i es basa en un document a priori força seriós des que va ser publicat a Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics i que per tant va ser examinat per alguns experts companys dels autors de l'article, dos físics que treballen a la Universitat de York al nord d'Anglaterra, Mikhail Bashkanov i Daniel Watts.

Tal com expliquen els dos investigadors a l’article disponible en accés gratuït a arXiv, proposen un escenari per explicar la matèria fosca basat no només en la física de partícules coneguda, sinó a partir d’una partícula que tenim de fet, fa uns anys i que es destaca en els laboratoris terrestres, un hadrò exòtic que conté sis quarks. 

La idea és, doncs, probablement més atractiva per als que no els agrada postular l’existència de noves partícules a partir d'una nova física, de les quals encara malauradament no veiem cap rastre en acceleradors o detectors a l’espai com el AMS o enterrats com a Xenon1T.

Interpretació artística d'un hexaquark del tipus dibarió. Hi ha dos quarks
constituents per cadascuna de les tres càrregues de color.

Aquest “hexaquark” va ser batejat com a d*(2380), però sobretot, el seu descobriment va confirmar una predicció teòrica feta el 1964 pel llegendari Freeman Dyson amb el seu col·lega Nguyen-Huu Xuong, pocs mesos després que George Zweig i Murray Gell-Mann publiquessin la seva teoria del quark. Malauradament Freeman Dyson acaba de morir i per tant hauria estat interessant saber què pensava de les idees que van presentar Mikhail Bashkanov i Daniel Watts. 

 

Bose-Einstein es condensa a partir d'un hadró exòtic

Recordem que els barions són partícules compostes per tres quarks, com el protó i el neutró, mentre que els mesons estan compostos per un quark i un antiquark. De fet, d*(2380) podria ser més aviat un dibarió, és a dir una mena d'estat lligat de dos barions ja que dos àtoms poden formar una molècula.

  Un vídeo (en francés) que explica el concepte de condensació de Bose-Einstein.
© Grup de recerca "La Physique Autrement" amb el suport de labex PALM

Recordem també que postulem l’existència de la matèria fosca perquè les estrelles dins les galàxies i les galàxies en cúmuls de galàxies tenen velocitats massa elevades que semblen trair, després de milers de milions d’anys, l’existència d'una distribució de massa superior a la de les estrelles o del gas i que sabem, per diverses raons, que aquesta distribució de masses que no irradia no pot estar formada per protons i neutrons, per tant, barions del Big Bang. Les partícules que constitueixen la matèria fosca han de ser especialment estables. Tot i això, d*(2380) és molt inestable, es desintegra molt ràpidament, cosa que a priori l’exclou com a candidat al títol de partícula de matèria fosca. 

Però sembla que Mikhail Bashkanov i Daniel Watts han trobat una sortida. Els seus càlculs suggereixen que quan un gran nombre de d*(2380) estan presents i formen una espècie de gas, poden unir-se per donar el que s’anomena condensat de Bose-Einstein. De fet, un estat quàntic col·lectiu d’un gas de partícules previst per Albert Einstein el 1925, basat en el treball de Satyendra Nath Bose, i que va ser posat en evidència el 1995 per Eric Cornell i Carl Wieman, un descobriment que els hi va valer el Premi Nobel de Física el 2001.

Un condensat de Bose-Einstein de d*(2380) seria prou estable segons ells per constituir una partícula de matèria fosca. Es mantindria fins a una mida de l'ordre d'un àtom, per tant un Ångström, i podria pesar fins a uns quants grams. És possible una àmplia gamma de mides i masses i d'una quantitat suficient d’aquestes gotes de condensat BE, formades per un gran nombre d’hexaquarks (d’uns quants milers a pocs milions), podria haver estat produida pel Big Bang donant informació de la quantitat de matèria fosca observada, sempre segons els càlculs dels investigadors. Serien vestigis de la transició de fase després d’haver passat el quagma (el plasma de quarks i gluons lliures) a gotes de líquid hadrònic, és a dir els protons i els neutrons després que l’Univers s'hagués suficientment refredat en el moment del Big Bang.

Trieu l'idioma dels subtítols a la configuració del vídeo. Una presentació del quagma. La
primera creació d’aquest plasma de quarks i gluons per part de la Humanitat va ser
anunciada el febrer del 2000 pels investigadors del CERN. L’estudi d’aquest plasma va
continuar després, especialment al Laboratori Nacional de Brookhaven als Estats Units,
en particular amb el RHIC, (Relativistis Heavy Ion Collider). Es produeix principalment
a l'accelerar en direccions oposades dos feixos de nuclis pesats, coure o or per fer-los xocar
frontalment. El mateix es pot fer al LHC amb nuclis de plom. Així, es van realitzar experiments
similars sobre el quagma amb el detector ALICE.  © Fermilab

Excepte que hi hagi captura, aquests condensats haurien de ser molt, molt fortament carregats positivament, per tant, irradien copiosament llum quan són accelerats en els raigs còsmics, per exemple. Per tant, un condensat de d*(2380) NO és matèria fosca ... tret que s’envolti d'altres partícules carregades negativament (antiprotons, electrons?) Per formar un estat lligat i neutre com un àtom.

Una variació sobre el tema de "quark nuggets"

Això és el que postulen Mikhail Bashkanov i Daniel Watts, però òbviament fa que la seva hipòtesi sigui més complicada i, per tant, menys creïble. Tanmateix, formant l’anàleg d’un àtom amb electrons molt fortament lligat a un nucli molt pesat i molt carregat positivament, podria tenir línies d’emissions exòtiques detectables, cosa que faria que la matèria fosca no fos completament fosca i obriria una possible finestra d’observació per provar l’escenari dels dos físics.

De fet, ens trobem davant d’una variant de les teories plantejades des del començament dels anys vuitanta per explicar l’existència de la matèria fosca a partir de cúmuls de quarks, en particular a les obres del 1984 d’Edward Witten, el gran teòric de les supercordes i guanyador de la medalla Fields en matemàtiques, que va conduir al que s’anomenen quark nuggets o estranyets. En aquest cas, eren grups de moltíssims quarks formats per un terç de quarks u, un altre de quarks d i finalment un darrer terç de quarks estranyets, que tornaria a ser estable però carregats positivament i, per tant, haurien d’envoltar-se, per exemple, d’electrons per ser neutres. Witten també creia que es podrien haver creat grans quantitats d’estranys al principi de la història de l’Univers observable, quan es va refredar prou perquè el quagma es condensés en hadrons.

Hem buscat aquests estranyets en experiments d’acceleradors, sense èxit fins ara. Es podien observar en forma de nuclis molt pesats amb una càrrega elèctrica dèbil en els productes de les col·lisions. Podem pensar que és possible una troballa similar amb els condensats de d*(2380), suposant que existeixen ...

Ho he vist aquí.

Detectada la "partícula X" del principi dels temps al Gran Col·lisionador d'Hadrons

La misteriosa partícula revelarà informació sobre els primers moments de l'univers. 

Els físics del destructor d'àtoms més gran del món han detectat una misteriosa partícula primordial del principi dels temps.

Un centenar de partícules "X" de curta vida -així anomenades per la seva estructura desconeguda- van ser detectades per primera vegada enmig de bilions d'altres partícules dins del Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), l'accelerador de partícules més gran del món, situat a prop de Ginebra al CERN (l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear).

Clic per engrandir. La partícula es va produir dins del Gran Col·lisionador d'Hadrons del
CERN. (Crèdit de la imatge: Shutterstock)

Aquestes partícules X, que probablement van existir en les més petites fraccions de segon després del Big Bang, van ser detectades dins d'una sopa de partícules elementals anomenat plasma de quark-gluons, format al LHC en xocar ions de plom. En estudiar les partícules X cabdals amb més detall, els científics esperen construir la imatge més precisa fins ara dels orígens de l'univers. Van publicar els seus resultats el 19 de gener a la revista Physical Review Letters. 

"Això només és el principi de la història", va dir en un comunicat l'autor principal, Yen-Jie Lee, membre de la col·laboració CMS del CERN i físic experimental de partícules de l'Institut Tecnològic de Massachusetts. "Hem demostrat que podem trobar un senyal. En els propers anys, volem utilitzar el plasma de quark-gluó per sondejar l'estructura interna de la partícula X, cosa que podria canviar la nostra visió de quin tipus de material hauria produït l'univers".

Els científics remunten els orígens de les partícules X a unes poques milionèsimes de segon després del Big Bang, quan l'univers era una sopa de plasma sobreescalfada a un bilió de graus plena de quarks i gluons, partícules elementals que aviat es van refredar i es van combinar en els protons i neutrons més estables que coneixem avui.

Just abans d'aquest ràpid refredament, una petita fracció dels gluons i els quarks van col·lidir, pegant-se per formar partícules X de molt curta durada. Els investigadors no saben com es configuren les partícules elementals per formar l'estructura de la partícula X. Però si els científics aconsegueixen esbrinar-ho, tindran una comprensió molt millor dels tipus de partícules que abundaven durant els primers moments de l'univers.

Per recrear les condicions d'un univers a la seva infància, els investigadors del LHC van disparar àtoms de plom carregats positivament entre si a gran velocitat, fent-los xocar per produir milers de partícules més en una explosió momentània de plasma que s'assembla a la sopa primordial caòtica del univers jove. Aquesta va ser la part fàcil. El més difícil va ser examinar les dades de 13.000 milions de col·lisions d'ions per trobar les partícules X. 

Clic per engrandir. Els físics han trobat proves de l'existència de rares partícules X al plasma de
quark-gluó produït al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN. Les troballes podrien
redefinir els tipus de partícules que abundaven a l'univers primitiu. Crèdit: CERN

"En teoria, hi ha tants quarks i gluons al plasma que la producció de partícules X hauria de ser més gran", va dir Lee. "Però la gent pensava que seria massa difícil cercar-les, perquè hi ha moltes altres partícules produïdes en aquesta sopa de quarks". 

Però els investigadors tenien una pista útil per treballar. Encara que els físics de partícules no coneixen l'estructura de la partícula X, sí que saben que hauria de tenir un patró de desintegració molt definit, ja que les partícules "filles" que produeix haurien de sortir disparades a través d'una varietat d'angles molt diferents dels produïts per altres partícules. Aquest coneixement ha permès als investigadors crear un algorisme que detecta els signes reveladors de dotzenes de partícules X. 

"És gairebé impensable que puguem extreure aquestes 100 partícules d'aquest enorme conjunt de dades", va dir al comunicat el coautor Jing Wang, físic del MIT. "Cada nit em preguntava: ¿és això realment un senyal o no? I al final, les dades deien que sí".

Ara que els investigadors han identificat la signatura de la partícula X, en poden determinar l'estructura interna. Els protons i els neutrons estan formats per tres quarks estretament units, però els investigadors creuen que la partícula X tindrà un aspecte totalment diferent. Com a mínim, saben que la nova partícula conté quatre quarks, però no saben com estan units. La nova partícula podria estar formada per quatre quarks units amb la mateixa força, la qual cosa la convertiria en una partícula exòtica anomenada tetraquark, o per dos parells de quarks -anomenats mesons- poc units entre si.

"Actualment, les nostres dades coincideixen amb les dues [estructures] perquè encara no tenim prou estadístiques", va dir Lee. "En els propers anys, prendrem moltes més dades per poder separar aquests dos escenaris. Això ampliarà la nostra visió dels tipus de partícules que es van produir abundantment a l'univers primitiu".

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals podrien revelar la presència de quagma en les estrelles de neutrons

Quan dues estrelles de neutrons es fusionen, les pressions i temperatures assolides poden fer que quarks i gluons confinats en protons i neutrons es converteixin, a vegades, en un plasma anomenat quagma. Aquesta fase de transició produiria ones gravitacionals característiques que demostren la seva ocurrència.

Clic per engrandir. Recreació artística d'una col·lisió de dues estrelles de neutrons.
Crèdit: Dana Berry, Sky Works Digital Inc.

L’univers observable és un laboratori de física d’alta energia on la natura ens porta d’alguna manera experiències que no podem fer a la Terra ni amb dificultat. Per exemple, els astrofísics relativistes han estat intercanviant idees amb físics nuclears durant dècades per entendre millor la física de les estrelles de neutrons i els nuclis de la Terra en condicions de temperatures i pressions extremes que també prevalien al moment del Big Bang.

Per a aquests investigadors, l’obertura de l’era de l’astronomia gravitatòria, amb la detecció directa a la Terra d’ones gravitacionals per part de membres de les col·laboracions LIGO i VIRGO, va ser una gran notícia. Sens dubte, la seva emoció va arribar al seu màxim quan aquests mateixos membres van anunciar la detecció de la font GW170817, perquè es va veure ràpidament que es tractava d'una col·lisió d'estrelles de neutrons que produïa una kilonova.

 

De kilonoves a quarks

 

De fet, aquestes estrelles són transparents a les ones gravitacionals que emeten, i contenen molta informació sobre la seva estructura i composició. Molt compactes, i amb un diàmetre d’unes poques desenes de quilòmetres, són tan denses que una culleradeta del seu material pot arribar a pesar fins a uns mil milions de tones. Perquè cal descriure tant l'ús de les equacions de la relativitat general i dels models astrofísics de la relativitat -es poden trobar en el famós llibre  "Gravitation"  que el Nobel de física Kip Thorne ha co-escrit i publicat el 1973 amb els seus companys John Wheeler i Charles Misner- com els models que descriuen el que s’anomena l’equació de l’estat de la matèria nuclear. Les estrelles de neutrons es converteixen aleshores en una espècie de banc de proves a on provar la teoria de la relativitat general d’Einstein i obtenir més detalls sobre l’equació de l’estat de la matèria nuclear i la física que la determina.

 

La història de la detecció de GW170817. Podeu triar l'idioma dels subtítols a la
configuració del vídeo. © Ciència vs Cinema. 

 

En aquest cas, aquesta física es basa en la teoria dels quarks proposada independentment per George Zweig i Murray Gell-Mann el 1964. Aquesta teoria va ser completada a principis dels anys 70 per Gell-Mann i  Harald Fritzsch, mentre que les dades experimentals va començar a proporcionar proves indiscutibles de l'estructura en quarks de protons i neutrons en particular, i més generalment del que anomenen hadrons. De fet, el 1972, els dos físics van descobrir finalment les equacions de la QCD (cromodinàmica quàntica) que governa les forces nuclears entre quarks, introduint als "cosins" del fotó, els gluons.

L’any següent al 1973, Gross, Politzer i Wilczek també van descobrir la llibertat asimptòtica derivada d’aquestes equacions i implicant que les forces entre quarks només augmenten si s’intenta separar-les, tant que l’energia que s’utilitza per intentar-ho provoca la formació de nous quarks que s’uneixen ràpidament creant hadrons.

Això posarà fi als dubtes sobre la teoria dels quarks perquè, curiosament en els experiments, aquestes noves partícules no podien ser aïllades ni observades per separat com és el cas dels components dels àtoms, els electrons i els nucleons. Les col·lisions d’hadrons, suposadament constituïdes per quarks, mai no van produir més que hadrons.

Una presentació del quagma. Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la
configuració del vídeo. © Fermilab

Quarks i gluons confinats en hadrons

Tot i això, la QCD també ens diu que en un gas de protons i de neutrons comprimits i portats a una temperatura 100.000 vegades superior a la que hi ha dins del Sol, aquests nucleons encara es "fondran". El resultat serà un líquid ultra dens en què els quarks i els gluons es comportaran com si estiguessin lliures. Però tan aviat com la temperatura baixa per sota de prop de mil mil milions de graus, el plasma de quarks-gluons, de vegades anomenat quagma o QGP, es condensarà en una miríada d'hadrons generalment inestables, en la que els quarks i gluons seran confinats novament.

Els físics estudien des de fa diverses dècades quin dels quagma ha demostrat l’existència, en particular en experiments realitzats al CERN amb el LHC. D’aquesta manera, poden remuntar-se a un període de la història de l’univers observable amb una edat de menys d'una mil·lèsima de segon. Aquesta fase de la matèria encara no ha revelat tots els seus secrets i hauria de permetre’ns retrocedir més en el passat del Cosmos. Per això es compta amb l'estudi de les estrelles de neutrons.

Aquesta simulació mostra la densitat de la matèria ordinària (principalment neutrons)
en groc-vermell. Poc després de la fusió de les dues estrelles, el centre extremadament
dens es torna verd, representant la formació del plasma quark-gluó. © Lukas R. Weih
i Luciano Rezzolla (2019)

Avui (7 de maig 2020), un grup de físics de la Universitat Goethe de Frankfurt i del Frankfurt Institute for Advanced Studies acaba de publicar un article a  Physical Review Letters, que es pot consultar a arXiv, a on anuncien que han obtingut un resultat interessant pel que fa a estructures de quagma i neutrons mitjançant supercomputadors.

De fet, els investigadors van simular no només la fusió d’estrelles de neutrons i el producte de la fusió per explorar les condicions en les que una transició de fase dels hadrons podria conduir a un plasma de quarks-gluons, sinó també com aquest fenomen podria afectar l’emissió d’ones gravitacionals, acompanyant la fusió de les dues estrelles compactes fins al punt de deixar-hi una signatura.

Un dels autors de l'article, el professor Luciano Rezzolla de la Universitat de Goethe, va presentar aquests resultats: "En comparació amb simulacions anteriors, vam descobrir una nova signatura en les ones gravitacionals que és clarament més clar de detectar. Si aquesta signatura es produeix en les ones gravitacionals que rebrem de les futures fusions d’estrelles de neutrons, tindrem una prova clara de la creació de plasma de quarks-gluons a l’Univers actual”.

* Més informació publicada al blog sobre els forats negres i les ones gravitacionals.

Ho he vist aquí.