El Universo Líquido insinúa las cuerdas

Durante los últimos cinco años, los físicos del Colisionador de Iones Relativamente Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven en los Estados Unidos han estado produciendo las mayores temperaturas de la Tierra colisionando núcleos de oro entre sí a enormes energías. Su propósito era recrear las condiciones extremas que se piensa que existieron durante los primeros 10 microsegundos del Universo, junto antes de que se enfriase lo suficiente para que se creasen los quarks y los gluones en el Big Bang para combinarse y formar los protones y neutrones que crean el mundo que nos rodea.

Los cuatro experimentos del RHIC, incluyendo el experimento STAR en la imagen, han mostrado la evidencia más convincente hasta la fecha de que un plasma de quark-gluón se forma en colisiones entre núcleos de oro. Imagen: Brookhaven National Laboratory.

La posibilidad de crear tal “plasma de quark-gluón” ha atormentado a los investigadores ya que las pruebas circunstanciales de tal estado se vieron en el CERN en 2000. Pero esos resultados no eran concluyentes ya que el plasma existió solo de forma efímera. Se asumió que las elevadas energías disponibles en el RHIC permitirían estudiar en detalle el plasma de quark-gluón, y hace dos años los físicos del colisionador dijeron que habían llegado más cerca que nunca antes a crear el nuevo y exótico estado de la materia (ver “The RHIC gold rush” Physics World Junio de 2003 pp31-35).

Ahora, cuatro experimentos en los que colaboraron RHIC – STAR, PHENIX, PHOBOS y BRAHMS – han encontrado la prueba más convincente hasta la fecha de la creación de un plasma de quark-gluón. Pero en lugar de comportarse como un gas de quarks libres, antiquarks y gluones, como se esperaba, las calientes gotitas se comportan más como un líquido. De hecho, los resultados de RHIC sugieren que podría ser el líquido más perfecto jamás creado (www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/docs/Hunting-the-QGP.pdf; Nucl. Phys.).

Pero el aspecto realmente intrigante del resultado – presentado en el encuentro de abril de la Sociedad Física Americana en Tampa, Florida – es que por primera vez se menciona a la Teoría de Cuerdas en el anuncio de un experimento importante.

Líquido Perfecto

La existencia del plasma de quark-gluón es predicha por la Cromodinámica Cuántica (QCD), la Teoría de la interacción fuerte. En QCD, los protones y neutrones son tratados como estados límites de los quarks, los cuales se mantienen unidos por el intercambio de gluones. A distancias mucho menores del tamaño de un protón o un neutrón (unos 10-15 m), los quarks y gluones se comportan como partículas libres. Sin embargo, cuando la distancia entre dos quarks aumenta la fuerza entre ellos se hace muy fuerte.

Cuando colisionan dos núcleos descentrados, la región caliente de las partículas que se produce tiene la forma de una almendra que se expande preferentemente a lo largo de la dirección donde la almendra es más delgada. A partir de esto, los investigadores pueden inferir la fuerza de las interacciones entre las partículas y determinar si el nuevo estado de la materia se comporta como un líquido o como un gas.

A bajas energías o temperaturas los quarks y gluones tienden a unirse en cúmulos que contienen tres quarks (tal como los protones y neutrones), o un quark y un antiquark (tal como los piones y kaones). Sin embargo, a energías por encima de los 1013 K la distancia media entre las partículas se hace tan pequeña que la materia se comporta como un gas ideal de quarks y gluones libres.

Incluso antes de que comenzara el RHIC, la mayoría de nosotros anticipábamos que sería difícil indicar una señal definitiva de la formación de un plasma de quark-gluón. Aunque la energía de colisión del RHIC (200 GeV por núcleo) es unas 10 veces mayor que la usada en el CERN, la mayor parte de esta energía acaba en los distintos residuos de los núcleos de oro, dejando solo una pequeña fracción para hacer el trabajo útil de crear el nuevo estado. Además, debido a que el plasma necesita tiempo para expandirse, la mayor parte de las partículas que se detectan provienen en efecto de las últimas fases de la colisión, cuando el plasma se ha enfriado sustancialmente. Sin embargo, midiendo el número total de partículas producidas, y también sus energías, es posible estudiar de forma indirecta el estado inicial creado por las colisiones de oro.

Como indican muchas medidas del RHIC, este sistema no es simplemente una interacción débil de gas de quarks y gluones. En lugar de esto, el estado súper-caliente parece estar fuertemente acoplado, lo cual complica las cosas considerablemente. Dado que se pueden hacer muy pocos cálculos fiables en el régimen de acoplamiento fuerte, los investigadores no pueden estar absolutamente seguros de que se ha creado un plasma de quark-gluón.

Lo que se puede ver ciertamente, sin embargo, es que el nuevo estado RHIC se comporta como si fuese una gotita de un líquido perfecto – es decir un fluido con una viscosidad casi cero. Un sistema de quark-gluón débilmente acoplado, por otra parte, tendría una alta viscosidad. Esta conclusión se alcanzó estudiando eventos en los que los núcleos de oro experimentan colisiones inclinadas en lugar de frontales, lo cual da como resultado una región caliente inicial con forma de almendra en lugar de un círculo. Un líquido perfecto que inicialmente llenara tal región se expandiría en su mayor parte a lo largo de la dimensión más pequeña de la almendra, ya que la presión cambia más rápido en esta dirección. Un gas de partículas libres, por contra, se expandiría uniformemente en todas las direcciones.

En el escenario de un líquido perfecto el momento típico de la generación de partículas depende además fuertemente de su dirección, mientras que en un escenario de gas es independiente de la dirección. Entre estos dos estados se encuentra el fluido no perfecto (es decir con una viscosidad no cero, como el agua). Usando modelos hidrodinámicos, los teóricos han sido capaces de reproducir la asimetría de los espectros observados, lo que técnicamente se conoce como flujo elíptico, asumiendo que el fluido tiene una viscosidad cero o muy pequeña.

Conexión con las Cuerdas

Pero, ¿qué tiene todo esto que ver con la teoría de cuerdas?. Al contrario que la QCD y otras teorías de campo cuántico, la Teoría de Cuerdas trata todas las partículas como diminutas cuerdas vibrantes. Esto también proporciona un interesante marco de trabajo para unificar las cuatro fuerzas de la naturaleza, incluyendo la gravedad, aunque una de las posibles pegas de la Teoría de Cuerdas es que requiere seis dimensiones espaciales extra además de las tres que ya conocemos.

En 1997 Juan Maldacena, entonces en la Universidad de Harvard, revolucionó nuestra comprensión de la Teoría de Campo Cuántico Fuertemente Acoplado proponiendo un ejemplo concreto de dos teorías, aparentemente no relacionadas, que podían, de hecho, describir el mismo sistema. Una de estas teorías vive en las cuatro dimensiones habituales del espacio-tiempo y es similar a la QCD; la otra teoría es un tipo de Teoría de Cuerdas que vive en un espacio curvado de 10 dimensiones. La relación entre ambas teorías parte del hecho que las Teorías similares a la QCD viven en una “membrana” que está inmersa en un espacio de dimensiones superiores.

Extraordinariamente, cuando las partículas de la teoría de 4D interactúan fuertemente con otras partículas, tales como interacciones entre quarks a largas distancias, la Teoría de Cuerdas equivalente se vuelve simple y puede resolverlas de forma exacta. La conjetura de Maldacena, hasta aquí, nos permite calcular observaciones en régimen de acoplamiento fuerte donde ningún método anterior había funcionado. El problema de esta nueva aproximación es que solo puede usarse para una pequeña clase de teorías que están fuertemente acopladas en todas las distancias. Y este grupo desafortunadamente no incluye la QCD, que está débilmente acoplada en distancias pequeñas.

En este reducido grupo de teorías, el plasma caliente de la teoría de 4D corresponde a un agujero negro en la descripción equivalente en 10D, la cual encaja bastante bien con la predicción de Stephen Hawking de que un agujero negro tiene temperatura. Además, existe una relación directa entre las vibraciones en el plasma, como ondas de sonido, y las vibraciones del horizonte de un agujero negro. Por ejemplo, cuando un objeto se deja caer en el agujero negro de 10D, el dibujo equivalente en 4D es una región caliente y expansiva que se disuelve en un plasma. Usando dichas equivalencias, distintos teóricos, incluyendo el presente autor, han deducido que si tal plasma fuese real, sería un líquido casi perfecto.

La hipótesis de Maldacena no se aplica a QCD, no obstante, la viscosidad del plasma real de quark-gluón no puede ser calculado a través de la Teoría de Cuerdas. Esto hace que el anuncio de RHIC de que la viscosidad del plasma es comparable a los valores encontrados en los cálculos de la Teoría de Cuerdas sea incluso más sorprendente. Si esto es cierto, el plasma de quark-gluón creado en el RHIC podría ser el fluido más perfecto de la naturaleza. Esto es en sí mismo un hecho interesante, pero también podría indicar que la Teoría de Cuerdas tiene alguna relación con la QCD. Sin embargo primero necesitamos más evidencias cuantitativas desde RHIC, como un límite superior de la viscosidad.

De forma coincidente, los investigadores están actualmente trabajando en el régimen de acoplamiento fuerte en un campo completamente distinto de la física: los gases atómicos ultrafríos. El acoplamiento fuerte entre los átomos de estos sistemas puede lograrse mediante el ajuste detallado de un campo magnético externo. Observando la oscilación de los gases en la trampa, los investigadores han descubierto que las oscilaciones son más duraderas cuando el acoplamiento es mayor, indicando que la viscosidad de tales gases es menor en el régimen de acoplamiento fuerte. En la búsqueda del fluido más perfecto, parece que los físicos de los iones pesados tendrán una dura competición.

Autor: Dam Son
Traductor: Manuel Hermán
Site: physicsweb.org

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http://physicsweb.org/articles/world/18/6/4/1

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