Científicos del MIT descubren nueva forma de estudiar la materia nuclear mediante 'casi colisiones' en aceleradores de partículas

Investigadores del MIT han desarrollado un método innovador para estudiar el núcleo de la materia nuclear utilizando el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ubicado en Ginebra, Suiza. A diferencia del enfoque tradicional que se centra en colisiones frontales de partículas, el equipo analizó eventos donde las partículas apenas se rozan, revelando nuevos comportamientos en las fuerzas fundamentales que mantienen unida la materia, según el estudio publicado en Physical Review Letters.

Cuando las partículas viajan cerca de la velocidad de la luz, están rodeadas por un halo electromagnético que se aplana cuando pasan cerca sin colisionar. Estos campos de energía aplanados producen fotones de altísima energía. Ocasionalmente, un fotón de una partícula puede impactar contra otra partícula, como un pinchazo de luz del tamaño cuántico extremadamente intenso, según explica el equipo del MIT.

Los investigadores lograron identificar estos impactos de 'casi colisiones', conocidos científicamente como 'interacciones fotonucleares', a partir de los datos de colisiones de partículas del LHC. Descubrieron que cuando algunos fotones impactaban una partícula, expulsaban un tipo de partícula subatómica conocida como mesón D0, que pudieron medir por primera vez.

Los mesones D0 son partículas subatómicas que contienen un quark encantado, un tipo raro de quark que normalmente no se encuentra en la materia nuclear ordinaria. Los quarks son los bloques fundamentales de toda la materia y están unidos por gluones, partículas sin masa que actúan como el pegamento invisible, o 'fuerza fuerte', que mantiene unida la materia. Los quarks encantados raros solo pueden crearse en interacciones de alta energía, lo que los convierte en una sonda especialmente limpia e inequívoca de quarks y gluones dentro de un núcleo, según el estudio.

A través de sus mediciones de mesones D0, los investigadores pudieron estimar qué tan apretados están empaquetados los gluones y, esencialmente, qué tan fuerte es la fuerza fuerte dentro del núcleo de una partícula.

'Nuestro resultado da una indicación de que cuando la materia nuclear se comprime, los gluones comienzan a comportarse de manera extraña', dijo Gian Michele Innocenti, autor principal del estudio y profesor asistente de física en el MIT. 'Necesitamos saber cómo se comportan estos gluones en estas condiciones extremas porque los gluones mantienen unido el universo. Y en este punto, las interacciones fotonucleares son la mejor manera que tenemos para estudiar el comportamiento de los gluones', añadió.

El estudio fue realizado por miembros de la Colaboración CMS, un consorcio global de físicos que operan y mantienen el Solenoide Compacto de Muones (CMS), uno de los detectores más grandes dentro del LHC que se utilizó para recopilar los datos del estudio.

Desde que el LHC comenzó operaciones en 2008, el enfoque ha estado abrumadoramente en la detección y análisis de colisiones 'frontales'. Los físicos sabían que al acelerar haces de partículas también producirían interacciones fotonucleares, eventos de casi colisión donde una partícula podría colisionar no con otra partícula, sino con su nube de fotones. Pero tales interacciones luz-núcleo se consideraban simplemente ruido.

'Estos eventos fotonucleares se consideraban un ruido de fondo que la gente quería cancelar', dijo Innocenti. 'Pero ahora la gente quiere usarlo como señal porque una colisión entre un fotón y un núcleo puede ser esencialmente como un microscopio de súper alta precisión para la materia nuclear', explicó.

Cuando un fotón impacta una partícula, la abundancia, dirección y energía del mesón D0 producido se relaciona directamente con la energía y densidad de los gluones en el núcleo. Si los científicos pueden detectar y medir esta interacción fotónica, sería como usar una linterna extremadamente pequeña y poderosa para iluminar las estructuras nucleares. Sin embargo, hasta ahora se asumía que las interacciones fotonucleares serían imposibles de distinguir entre los diversos procesos físicos que pueden ocurrir en tales colisiones.

'La gente no pensaba que fuera posible eliminar el enorme desorden de todas estas otras colisiones, para enfocarse en fotones individuales golpeando núcleos individuales produciendo un mesón D0', dijo Innocenti. 'Tuvimos que idear un sistema para reconocer esas interacciones fotonucleares muy raras mientras se tomaban datos de colisiones de partículas', agregó.

Para el estudio, Innocenti y sus colegas primero simularon cómo se vería una interacción fotonuclear en medio de una lluvia de otras colisiones de partículas. En particular, simularon un escenario en el que un fotón impacta un núcleo y produce un mesón D0. Aunque estos eventos son raros, los mesones D0 se encuentran entre las partículas más abundantes que contienen un quark encantado. El equipo razonó que si podían detectar signos de un quark encantado en mesones D0 producidos en una interacción fotonuclear, podría proporcionar información valiosa sobre los gluones que mantienen unido el núcleo.

Con sus simulaciones, los investigadores desarrollaron un algoritmo para detectar interacciones fotonucleares. Implementaron el algoritmo en el detector CMS para buscar señales en tiempo real durante las ejecuciones de colisión de partículas del LHC.

'Tuvimos que recopilar decenas de miles de millones de colisiones para extraer unos pocos cientos de estos casos raros donde un fotón golpea un núcleo y produce una de estas partículas exóticas de mesón D0', explicó Innocenti.

De este enorme conjunto de datos, el equipo identificó una muestra limpia de estos eventos raros explotando las capacidades avanzadas del detector CMS para seleccionar eventos de casi colisión y reconstruir las propiedades de los mesones D0.

A través de este proceso, el equipo detectó instancias de producción de mesones D0 y luego trabajó hacia atrás para calcular las propiedades de los quarks encantados de las partículas y los gluones que los habrían mantenido unidos en el núcleo original.

'Estamos limitando lo que sucede con los gluones cuando se comprimen en iones muy grandes que viajan muy rápido', dijo Innocenti. 'Hasta ahora, nuestros datos confirman lo que la gente espera en términos de materia nuclear de alta densidad. En realidad, esta es la primera vez que hemos demostrado que este tipo de medición es factible', añadió.

El equipo está trabajando para mejorar la precisión de la medición con el fin de proporcionar una imagen más clara de cómo están dispuestos los quarks y gluones dentro de un núcleo.

'Los gluones son una fuerza muy fuerte que mantiene unido el universo', dijo Innocenti. 'La descripción de la fuerza fuerte está en la base de todo lo que vemos en la naturaleza. Ahora tenemos una manera de confirmar completamente, o mostrar desviaciones de, esa descripción', concluyó.

El trabajo fue apoyado, en parte, por el Departamento de Energía de Estados Unidos, incluido el apoyo de un premio del Programa de Investigación de Carrera Temprana del DOE, y se basa en las contribuciones de un gran equipo del MIT de estudiantes de posgrado, investigadores de pregrado, científicos y posdoctorados, según el estudio.