Temperatura de Hagedorn

La temperatura de Hagedorn, en física teórica, es la temperatura en la que la materia hadrónica (es decir, la materia ordinaria) deja de ser estable, y debe o bien "evaporarse" o convertirse en materia quark; por lo tanto se puede considerar como el "punto de ebullición" de la materia hadrónica. La temperatura de Hagedorn existe porque la cantidad de energía disponible es suficientemente elevada para que se puedan formar pares de partículas (quark-antiquark) espontáneamente del vacío. Por lo tanto, desde un punto de vista ingenuo, un sistema que se encuentre a la temperatura de Hagedorn puede acumular tanta energía como se quiera, dado que los nuevos quarks formados proporcionan nuevos grados de libertad, y la temperatura de Hagedorn constituiría un límite superior de temperatura. Sin embargo, en términos de los quarks, es evidente que la materia se ha transformado en materia quark, que se puede seguir calentando.

La temperatura de Hagedorn se corresponde con la masa-energía del hadrón más ligero, el pión, con 130-140 MeV por partícula o aproximadamente 2 × 1012 K.​ Este rango de energía se alcanza de manera rutinaria en aceleradores de partículas como el LHC del CERN. La materia a la temperatura de Hagedorn o superior emite jets de nuevas partículas, que a su vez pueden producir nuevos jets, y las partículas eyectadas pueden ser detectadas en los detectores de partículas. Se ha detectado materia quark en colisiones de iones pesados en los aceleradores SPS y LHC del CERN (Francia y Suiza) y en el acelerador RHIC del Brookhaven National Laboratory (Estados Unidos).

En teoría de cuerdas, se define otra temperatura de Hagedorn para cuerdas en vez de hadrones. Esta temperatura es excesivamente alta (1030 K) y solamente tiene interés teórico.​

Historia

La temperatura de Hagedorn fue descubierta por el físico alemán Rolf Hagedorn en la década de 1960 mientras trabajaba en el CERN. Su trabajo en el modelo del bootstrap estadístico para la producción de hadrones demostró que, debido a que el aumento en energía del sistema causa la producción de nuevas partículas, un aumento de la energía de colisión haría aumentar la entropía del sistema en vez de la temperatura, y, por tanto, "la temperatura se queda atascada en un valor límite".​

Explicación técnica

La temperatura de Hagedorn es la temperatura en la que la función de partición diverge en un sistema con un crecimiento exponencial de la densidad de estados.​

Debido a esta divergencia, se puede concluir erróneamente que es imposible alcanzar temperaturas superiores a la temperatura de Hagedorn, ya que se necesitaría una cantidad infinita de energía:

El propio Hagedorn sabía que este razonamiento es falso. La función de partición para la creación de pares de hidrógeno-antihidrógeno diverge aún más rápido, ya que tiene una contribución finita de los niveles de energía que se acumulan al tender a la energía de ionización. Los estados que causan la divergencia tienen una extensión espacial grande, ya que los electrones se encuentran muy alejados de los protones. La divergencia indica que a bajas temperaturas no se produce hidrógeno-antihidrógeno, sino protón-antiprotón y electrón-antielectrón. La temperatura de Hagedorn solamente constituye la máxima temperatura en el caso de un número exponencial de especies con energía E y tamaño finito, que no es físicamente realista.

El concepto de un crecimiento exponencial en el número de estados fue propuesto originalmente en el contexto de la física de la materia condensada. Fue incorporado a la física de altas energías a principios de la década de 1970 por Steven Frautschi y Hagedorn. En física hadrónica, la temperatura de Hagedorn es la temperatura de deconfinamiento.

En la teoría de cuerdas

En la teoría de cuerdas, la temperatura de Hagedorn indica una transición de fase: la transición en la que se producen cuerdas muy largas de manera copiosa. Está controlada por la tensión de la cuerda, que es menor que la escala de Planck por alguna potencia de la constante de acoplamiento. Ajustando la tensión para que sea pequeña en comparación con la escala de Planck, la temperatura de Hagedorn puede ser mucho menor que la temperatura de Planck. Los modelos de gran unificación de cuerdas sitúan esta temperatura en el orden de magnitud de 1030 K, dos órdenes de magnitud menor que la temperatura de Planck. Estas temperaturas no se han alcanzado en ningún experimento y son inalcanzables con la tecnología actual o previsible.

6 grandes descubrimientos del CERN

Fundada en 1954, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN en sus siglas en inglés, es el mayor laboratorio de investigación de partículas que existe. Más de sesenta años de trabajo llenos de descubrimientos.

El CERN es una organización de investigación europea que cuenta con el laboratorio de física de partículas más importante y grande del mundo. La organización está conformada por 22 estados miembros​ y goza del respaldo de las Naciones Unidas. Además cuenta con 20 profesores españoles, por lo que la presencia de nuestro país está más que garantizada. Los descubrimientos del CERN han sido muchos y muy variados (al igual que los avances tecnológicos), pero si tenemos que escoger 6, nos quedamos con estos. Por supuesto el Bosón de Higgs, descubierto gracias al Gran Colisionador de Hadrones, es el más importante.

La ‘partícula de Dios’ o el Bosón de Higgs

La partícula de Dios o Bosón de Higg es quizá el descubrimiento más famoso del CERN y fue posible gracias al Gran Colisionador de Hadrones. Se halló el 4 de julio de 2012, si bien, ya un grupo de científicos propuso su existencia en el año 1964. En la primavera de 2013, se confirmó su existencia, creando un gran revuelo mediático tras décadas de teorías y experimentos. Un hecho histórico que valió el Premio Nobel de Física 2013 a Peter Higgs y François Englert, quienes predijeron la existencia del bosón. Pero fue con la creación del Gran Colisionador de Hadrones cuando se obtuvieron resultados convincentes.

Otro premio Nobel de Física, Leon Lederman, escribió un libro en los años noventa en el que se refería al Bosón de Higgs como the goddamm particle, esto es, la maldita partícula, debido a la imposibilidad de detectarla. El editor cambió el texto y la llamó the God particle, y así fue como rebautizó como partícula de Dios. Otros investigadores prefieren apodarla la partícula botella de champagne. Esto es debido a que el ministro de ciencia británico William Waldegrave, ofreció ese obsequio a quien fuese capaz de explicarle qué era el Bossón de Higgs.

La violación de la simetría de paridad de cargas

Dentro de la cosmología existe un gran misterio: la forma en la que existe la materia a pesar de la presencia, en el universo, de antimateria, dado que ambos tienden a aniquilarse entre sí. En teoría, las leyes físicas deberían ser las mismas si una partícula es sustituida con su antipartícula. Esto es conocido como la simetría de paridad de carga. Pero en el CERN los físicos nucleares James Cronin y Val Fitch demostraron que esa paridad era violada, lo cual explica que el Universo pueda existir. Gracias a este descubrimiento, recibieron el Premio Nobel en el año 1980.

La antimateria

La antimateria está compuesta por partículas que presentan la misma masa que una partícula de materia, pero tiene una carga eléctrica opuesta a ella. Cuando se combinan, se aniquilan entre sí, se anulan, y liberan una gran cantidad de energía. Los científicos implicados en este descubrimiento del CERN, en 1995, lograron crear una forma de antimateria llamada “anti-hidrógeno”. Se trata de una versión del hidrógeno, pero con carga negativa. Pero no fue hasta 2010 cuando se consiguió acorralar por una sexta de parte de un segundo “anti-hidrógeno”. Hasta entonces chocaba con el hidrógeno y se aniquilaban. En 2011, se logró mantener antimateria durante más de quince minutos.

Los neutrinos ligeros

En 1989, en este descubrimiento del CERN conocimos los neutrinos ligeros, partículas elementales que son muy complicadas de detectar ya que pueden no tener carga o tener muy poca y ninguna masa, por lo que raramente interactúan con otras partículas, de ahí que a veces sean conocidas como “partículas fantasmas”. Su descubrimiento se hizo gracias al Gran Colisionador de Electrones-Positrones, utilizando un detector llamado ALEPH.

Las corrientes neutras débiles

Uno de los primeros grandes descubrimientos del CERN se produjo en 1973 y fue posible gracias a Gargamelle, una cámara de burbujas. Las corrientes neutras débiles son una forma en la que las partículas subatómicas interactúan entre sí y supone una de las cuatro interacciones fundamentales de la física de partículas. A partir de su hallazgo se pudo unificar dos de las interacciones fundamentales de la naturaleza (el electromagnetismo y la fuerza débil), descubriendo así lo que se conoce como fuerza electrodébil. Sus predictores Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg recibieron el premio Nobel en 1979 por este descubrimiento.

Los bosones W y Z

En 1983, gracias al Acelerador de Partículas llamado Súper Sincrotón de Protones, los científicos descubrieron los bosones W y Z, las partículas elementales que median en la fuerza débil. El bosón W tiene dos variantes con la misma masa, pero cargas eléctricas opuestas (W+ y W-); mientras que Z no posee carga alguna. Un descubrimiento que fue esencial para avanzar en el Modelo Estándar y por ello sus descubridores Carlo Rubbia y Simon van der Meer fueron galardonados con el Premio Nobel en el año 1984.

Curiosidades científicas. También es el circuito que alcanza las velocidades más altas del mundo. Se han llegado a acelerar partículas hasta el 99.9999991% de la velocidad de la luz, el límite de velocidad en el universo. El LHC es el lugar más vacío del sistema solar

El experimento ALICE, del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), busca reproducir las condiciones del universo temprano (durante 1 y 10 microsegundos después del Big Bang) mediante la colisión de iones de plomo, que permiten la formación de las densidades de materia o temperatura más altas logradas (5,5 billones de grados Celsius).

Recreando los primeros instantes del Universo en el experimento ALICE-LHC del CERN

Observaciones astronómicas indican que hace unos 13,700 millones de años ocurrió la Gran Explosión, el Big Bang, con lo que dio inicio la creación del Universo. Instantes después de este acontecimiento, la materia que compone todo lo que vemos a nuestro alrededor estaba altamente concentrada en una pequeña región, sometida a una temperatura extremadamente alta. En esta bola caliente (aproximadamente 5 billones de grados Celsius, equivalente a 300 mil veces la temperatura que encontramos en el interior de nuestro Sol) las partículas elementales conocidas como quarks y gluones se movían libremente, formando lo que podríamos llamar una “sopa nuclear”, ahora conocida como plasma de quarks y gluones. Al mismo tiempo que el Universo se expandía, la temperatura caía abruptamente permitiendo que dichas partículas se agruparan bajo la acción de la fuerza nuclear fuerte. Unos 10 microsegundos después del Big Bang, los quarks y gluones ya habían formado los protones, neutrones y otras partículas similares, llamadas hadrones. Este proceso aprisionó a los quarks y gluones en el interior de tales partículas, impidiendo verlos libres nuevamente en el estado que se encontraban hace miles de millones de años, al inicio del Universo. Visto en este contexto, los protones y neutrones que componen los núcleos de los átomos que conocemos hoy en día, son un vestigio de una transición de fase cósmica, es decir, un cambio brusco en la constitución de la materia primordial (un ejemplo de transición de fase lo encontramos en la solidificación del agua, cuando pasa del estado líquido al sólido). Este proceso que sufrieron los quarks y gluones, se conoce como hadronización de quarks y gluones y ha sido objeto de intensos estudios en años recientes – tanto a nivel teórico como experimental – mismos que han desembocado en notables avances en la comprensión de este fenómeno. Por ejemplo, dichos estudios señalan que es la fuerza nuclear fuerte la causa del confinamiento de los quarks y la que impide que éstos se alejen unos de otros a distancias mayores que el tamaño de los núcleos atómicos (de alrededor de 10 billonésimas de cm) Los mismos estudios también indican que en el interior de los hadrones dicha fuerza prácticamente desaparece permitiendo a los quarks moverse libremente en el interior de los hadrones. Este curioso comportamiento de las interacciones nucleares fuertes entre quarks y gluones se conoce como “libertad asintótica” y ha sido establecido e incorporado en la teoría de la fuerza fuerte: la Cromodinámica Cuántica (QCD). Otro gran avance en este campo ha sido el reconocer que se pueden reproducir las condiciones físicas que dieron origen alguna vez al plasma de quarks y gluones haciendo chocar núcleos de átomos pesados entre sí, a muy altas energías. Experimentos realizados en el Brookhaven National Laboratory (en Nueva York, Estados Unidos) con el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) y en el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), en Ginebra, Suiza, usando el Gran Acelerador de Hadrones (LHC), han mostrado señales contundentes a favor de la aparición de este plasma en colisiones entre núcleos de oro y de plomo, respectivamente. Por el hecho de que estas máquinas aceleradoras de partículas nos permiten recrear las condiciones primigenias del Universo, se les puede considerar como máquinas del tiempo. Y debido a que dichos instrumentos nos permiten observar materia primordial que al día de hoy pudiera sólo ser detectada a distancias astronómicas, muy alejadas de nuestro planeta, estas máquinas bien pueden ser tomadas como telescopios ultrapoderosos.

Mini Bangs en el laboratorio

El LHC del CERN, localizado en la periferia de la ciudad de Ginebra, se convirtió en el primer instrumento en el mundo capaz de hacer chocar entre sí haces de núcleos de plomo, viajando a velocidades ultrarelativistas, a las mayores energías disponibles en un laboratorio terrestre. La energía que se concentra en el punto de colisión de estos núcleos atómicos es suficiente para producir mini bangs, esto es, pequeñas explosiones con densidades de energía cercanas a la del Big Bang. Los choques entre estos núcleos pesados, compuestos cada uno de 208 nucleones (protones o neutrones que conviven en el núcleo atómico) producen las condiciones necesarias para generar un plasma de quarks y gluones como aquel que apareció en los primeros microsegundos de vida del Universo. Este plasma corresponde a un nuevo estado de la materia caracterizado por tener altas temperaturas, del orden de 5 billones de grados Celsius y densidades muy superiores a la del interior de los hadrones conocidos, del orden de 300 billones de Kg/m3.

El Experimento ALICE-LHC del CERN

El Experimento ALICE (Experimento de colisiones de iones pesados), está localizado en CERN, y está compuesto por un gigantesco detector diseñado para el estudio del plasma de quarks y gluones, mismo que es creado en las colisiones entre núcleos atómicos pesados acelerados por el LHC. ALICE está conformado por varios instrumentos de detección acomodados como las capas de una cebolla. Entre estos instrumentos destacan: la Cámara de Proyección Temporal (TPC), que nos permite reconstruir con una enorme precisión la trayectoria de las partículas que resultan de las colisiones entre haces de partículas del LHC; el detector V0, que permite conocer la calidad del haz de partículas del acelerador LHC y que anuncia si un evento de colisión es de suficiente calidad para que ALICE registre y almacene la información producida por todos los sistemas de detección del aparato; y ACORDE, un detector de rayos cósmicos y de muones (partículas muy energéticas y penetrantes, similares a electrones pero con mayor masa) que permite la calibración de la TPC y realizar estudios astrofísicos en el experimento ALICE (ver Figura 1). Un evento típico registrado por ALICE se puede ver en la Figura 2. En ella se muestra el resultado de una colisión de tipo central entre núcleos de plomo a energías del LHC. Este evento es uno de los registrados a finales del año pasado. El análisis físico riguroso y sistemático de eventos como este ha permitido obtener resultados valiosos que han llevado a un buen número de publicaciones científicas en revistas especializadas sobre las características del plasma de quark y gluones. Entre los principales estudios que se están realizando, podemos mencionar aquellos sobre la energía y el número de hadrones producidos después de que la bola de fuego colapsa y que tienen como objetivo indagar el comportamiento de las partículas que forman el plasma. También se ha estudiado la supresión en la producción de hadrones J/y, señal inequívoca de la presencia del plasma de quarks y gluones.

El experimento ALICE tomó por primera vez datos de colisiones entre núcleos de átomos de plomo a finales de 2010. Esta experiencia se repitió nuevamente durante los meses de noviembre y de diciembre del año pasado. Se tiene planeado continuar con estos experimentos hasta finales de la década, incrementando todavía más la energía disponible en la colisión de los haces de núcleos pesados. Inclusive, se piensa producir choques entre núcleos ligeros (iones de átomos de hidrógeno) y núcleos de átomos pesados (como el plomo) para tratar de estudiar la dependencia del plasma en función del número atómico de los núcleos interactuantes.

México en en el ALICE

Estudiantes de física, computación y electrónica (licenciatura y posgrado) junto con investigadores del CINVESTAV, BUAP, Universidad Autónoma de Sinaloa y UNAM han participado en la construcción y operación de los sistemas de detección del experimento ALICE y colaboran actualmente en el análisis de los datos obtenidos en la interacción de protones y núcleos atómicos a las energías del LHC, en el CERN. También han participado en el diseño, construcción y operación del detector ACORDE del experimento ALICE. Más aún, de estos trabajos se han desprendido diferentes desarrollos tecnológicos que han llevado al registro de patentes. Queda aún un largo camino por recorrer para comprender las propiedades del plasma de quark y gluones. Sin duda, ALICE tiene aún mucho que aportar al conocimiento de este nuevo estado de la materia.