En medio del fragor de las colisiones de protones y núcleos de plomo en el LHC, otras partículas chocan más discretamente. Estas son colisiones fotón-fotón y fotón-núcleo. Entre 2015 y 2018, el experimento ALICE pudo recopilar suficientes datos sobre estas interacciones tan específicas para elaborar un primer retrato compuesto. Con la clave para una mejor comprensión del papel de los gluones en la composición de los núcleos y la coherencia cuántica, y quizás, en un futuro cercano, una nueva prueba del estado primordial de la materia tal como existía unos microsegundos después del Big Bang.
El LHC (Imagen: CERN)
Para entender de dónde vienen estos fotones que chocan en el LHC, hay que verlos como radiación que se origina en el intenso campo electromagnético (Un campo electromagnético es la representación en el espacio de la fuerza…) de los núcleos de plomo, acelerado a energías ultra relativistas (99,999993% de la velocidad de la luz). Esta nube de fotones que envuelve los núcleos de plomo tiene una densidad del orden de 1024 fotones por cm2 a energías que alcanzan los cien gigaelectronvoltios. Para que las interacciones observadas sean inducidas por los fotones, los núcleos no deben “verse” entre sí, es decir, deben cruzarse con un parámetro (Un parámetro es en sentido amplio un elemento de información a tener en cuenta…) de impacto (la distancia entre sus centros en el plano transversal a los haces) mayor que la suma de sus radios nucleares (cf. figura 1). Entonces hablamos de colisiones más externas. Para parámetros de impacto inferiores a la suma de los radios nucleares, las interacciones con los fotones se superponen a las interacciones hadrónicas. Estas interacciones resultan estar llenas de lecciones para la experiencia ALICE.
La medida de reacciones inducidas por fotones es un complemento muy interesante al eje principal del programa científico del experimento ALICE, dedicado al estudio de un nuevo estado de la materia (Aunque el concepto de fase es sencillo, es difícil definirlo con precisión .Un bien…) que predominó durante los primeros microsegundos del Big Bang y que podría existir en el corazón de las estrellas de neutrones, el plasma de los quarks y los gluones. Una de las partículas clave para entender su formación es un mesón llamado J/psi (formado por un par de quarks encanto-antiencanto), que tiene los mismos números cuánticos que el fotón con una masa 3 veces mayor. El caso particular en el que no se produce un J/psi durante las colisiones hadrónicas, sino durante las reacciones inducidas por los fotones se denomina fotoproducción: un fotón adquiere masa y se transforma en un J/psi por fluctuación cuántica. El experimento ALICE caracterizó y aisló este fenómeno por primera vez en las energías del LHC.
Figura 1: Vista esquemática de 2 núcleos de plomo que chocan con sus nubes de fotones asociadas. Si la distancia entre los 2 núcleos (b) es mayor que la suma de los radios de los dos núcleos, la interacción (Una interacción es un intercambio de información, afectos o energía entre dos agentes dentro de…) sólo puede ser inducida por fotones En el caso opuesto, hay una superposición (Una superposición de un conjunto X es un conjunto P de subconjuntos no vacíos de X como la unión…) contexto 🙂 y la interacción se vuelve principalmente de naturaleza hadrónica.
Las interacciones fotón-fotón y fotón-núcleo en presencia de superposición nuclear son de interés para los científicos en muchos aspectos. Permiten estudiar fenómenos fundamentales nunca antes observados, en particular sondeando los núcleos para estudiar el papel de los gluones en su composición. También nos permiten comprender mejor el origen de la coherencia cuántica. Finalmente, en un futuro cercano, pueden hacer posible sondear el plasma de quarks y gluones de una nueva manera y observar fenómenos puramente cuánticos como la interferencia destructiva de los fotoproductos J/psi donde los fotones interfieren con los dos núcleos como la luz (Light es el conjunto de ondas electromagnéticas visibles por el ojo…) en un experimento de rendijas de Young (las rendijas de Young (o interferencia de Young) designan un experimento de física…).
El experimento ALICE está particularmente optimizado para medir estos fotoproductos J/psi emitidos hacia el frente del detector, caracterizados por momentos bajos (alrededor de 60 MeV/c para el componente transversal). Los productos de desintegración J/psi, los muones, se miden con el espectrómetro de muones, cuyo diseño y construcción son principalmente franceses.
Estas características experimentales óptimas permitieron realizar dos análisis complementarios que se relacionan con los datos recopilados en colisiones plomo-plomo por la colaboración durante el segundo período de explotación (carrera 2) del LHC, entre 2015 y 2018. El primero, realizado realizado por investigadores de Subatech (Nantes) e IJCLab (Orsay) están estudiando la fracción de interacciones fotón-hadrón en la producción de J/psi en función del número de nucleones involucrados en la colisión (ver fig. 2). El resultado, que se publicará en Physics Letters B, ya permite restringir fuertemente los modelos teóricos y ayudar a los teóricos a identificar los enfoques más prometedores. Un segundo análisis, que se publicará en los próximos meses y que está siendo realizado por científicos de IP2I (Lyon) en colaboración con IJCLab (Orsay) estudia la polarización de partículas J/psi fotoproducidas, es decir, la alineación de su espín con su dirección. , durante interacciones inducidas por fotones sin superposición nuclear.
Probabilidad de fotoproducción de un J/psi en función del número de nucleones involucrados en la colisión. Los datos experimentales están en negro, los modelos teóricos en color.
Imagen: ALICE/CERN
Los próximos datos de la tercera ejecución del LHC (run3) serán cruciales: de hecho, ALICE planea recopilar una muestra de datos mucho más grande, con un nuevo dispositivo de detección puesto en funcionamiento durante la última parada técnica del LHC con una electrónica de adquisición más rápida. y un nuevo detector situado muy cerca del punto de colisión, el muon forward tracker o MFT (proyecto llevado por el IN2P3), que permitirá localizar con mayor precisión el vértice de origen de los J/psi detectados.
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