El primer período del programa de física del LHC antes de la parada técnica de más de un año para aumentar su energía, acaba con un éxito rotundo ante un difícil reto: conseguir realizar colisiones altamente asimétricas.
Hasta ahora, el LHC ha llevado a cabo colisiones entre objetos iguales, ya sean de protón contra protón o de núcleo de plomo contra núcleo de plomo. El diseño del acelerador hace muy difícil colisionar sistemas asimétricos. La razón es muy sencilla: los campos eléctricos y magnéticos del LHC actúan sobre partículas cargadas, como los protones, pero tienen un efecto despreciable sobre partículas neutras, como los neutrones.
En un núcleo de plomo, por cada tres protones hay más de cuatro neutrones. Así que los protones tienen que “arrastrar” a sus colegas neutros. Como resultado, los protones libres se aceleran mucho más que los núcleos atómicos, obteniendo mayores velocidades de rotación. En esta situación, acelerar los haces, mantenerlos estables y hacer que colisionen en el lugar adecuado es tal vez la situación técnicamente más difícil a la que se ha enfrentado el acelerador de partículas del CERN hasta ahora.
¿Por qué producir entonces estas colisiones tan complicadas? La idea principal es servir de referencia para el programa de colisiones entre dos núcleos de plomo realizado en el LHC anteriormente, que tiene como objetivo estudiar un nuevo estado de la materia conocido como “plasma de quarks y gluones”. Este es el estado se cree tuvo el universo unas millonésimas de segundo después del Big Bang.
Referencia para medir la 'sopa primordial' de la materia
Las propiedades de este nuevo estado se miden sólo por pruebas indirectas, para las que una referencia como la dada por colisiones protón contra núcleo es imprescindible. Sólo así se pueden medir con la suficiente precisión propiedades de ese nuevo medio como la densidad, temperatura, viscosidad, etc.
Otro de los objetivos principales es el estudio de la estructura nuclear a energías nunca antes alcanzadas. A esas energías se conjetura que la estructura gluónica del núcleo tendría semejanzas con medios más comunes en otras ramas de la Física, como la Física de la materia condensada.
Estas investigaciones sólo se pueden llevar a cabo en sistemas asimétricos. Siempre necesitamos objetos más pequeños para entender la estructura de objetos grandes. Podríamos, por ejemplo, analizar la forma de un avión bombardeándolo con pelotas de tenis y midiendo sus trayectorias, pero no haciéndolo chocar contra otro avión. En este sentido, se podría decir que en el LHC, el papel del protón es “romper” el núcleo para investigar su estructura interna: la pequeña pelota de tenis de mesa necesitaría una energía extraordinaria para poder romper el balón de fútbol.
Coherencia cuántica
La expectación sobre este tipo de colisiones asimétricas se incrementó aún más con el descubrimiento, durante una primera prueba de cuatro horas en septiembre de 2012, de interesantes correlaciones entre partículas. Encontrar correlaciones entre partículas podría significar que en algún momento de la colisión estuvieron en un estado cuántico coherente, o bien que fueron originadas a partir de estados cuánticos coherentes.
El entrelazamiento cuántico necesario para producir unas correlaciones tan fuertes como las observadas aparece sólo en situaciones en las que existen altas densidades de quarks o gluones. Este es, además, un requisito para que éstos se liberen, formando ese nuevo estado de la materia de altísima temperatura, más de 100.000 veces la del interior del Sol, en el que se encontraba el universo primigenio.
Cómo se forma este estado será una de las principales preguntas a responder en el los próximos años en el LHC y los resultados de estas colisiones de protón contra núcleo darán los primeros indicios.
Carlos A. Salgado (en Twitter @CASsalgado) es investigador de la Universidad de Santiago de Compostela (USC). Responsable del HotLHC project, proyecto con el apoyo del ERC para estudiar estados de la materia a muy altas temperaturas.
Más información:
ALICE scrutinizes proton-lead run for quark-gluon plasma, CERN
Encuentro virtual con expertos del CERN, entre ellos Carlos Salgado, donde responden a preguntas de los internautas sobre el ciclo de colisiones protón-nucleos de plomo (24/01/2013).
