Ver el código de «Plasma de quarks-gluones»

[[File:PhasDiagQGP.png|thumb|Diagrama de fases QCD. Adaptado del original realizado por R.S. Bhalerao.<ref>{{cite encyclopedia |last=Bhalerao |first=Rajeev S. |editor-last1=Mulders|editor-first1=M. |editor-last2=Kawagoe |editor-first2=K.|encyclopedia=1st Asia-Europe-Pacific School of High-Energy Physics |title=Relativistic heavy-ion collisions|year=2014 |publisher=CERN |series=CERN Yellow Reports: School Proceedings |volume=CERN-2014-001 ; KEK-Proceedings-2013–8 |location=Geneva|isbn=9789290833994 |oclc=801745660 |doi=10.5170/CERN-2014-001 |pages=219–239|s2cid=119256218 }}</ref>]]
El '''plasma de quark-gluones''' (en inglés QGP, Quark–Gluon Plasma) es una fase de la [[cromodinámica cuántica]] (en inglés QCD, Quantum chromodynamics) que se da cuando la [[temperatura]] y/o la [[densidad]] son muy altas. Se piensa que este estado consiste en [[Quark|quarks]] asintóticamente libres y [[Gluon|gluones]], que son varios de los componentes básicos de la materia. Se cree que hasta unos pocos milisegundos después del [[Big Bang]], en la conocida como [[época quark]], el universo se encontraba en un estado de plasma cuark-gluon. Los experimentos en el [[Super Proton Synchrotron]] (SPS) del [[CERN]] trataron primero de crear QGP en los años ochenta y noventa, y pudo haber sido parcialmente conseguido.<ref name="Sin_nombre-1_5Vm-1">{{Cita web |url=http://aliceinfo.cern.ch/index.html |título=Alice Experiment: The ALICE Portal |fechaacceso=2022-12-21 |fecha=2006-02-13 |sitioweb=web.archive.org |fechaarchivo=13 de febrero de 2006 |urlarchivo=https://web.archive.org/web/20060213023750/http://aliceinfo.cern.ch/index.html |deadurl=yes }}</ref> Actualmente, experimentos en el [[Acelerador relativista de iones pesados]] (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider BTS) en el [[Laboratorio Nacional de Brookhaven]] (Estados Unidos) continúan este esfuerzo.<ref>{{Cita web |url=https://www.bnl.gov/rhic/ |título=Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) |fechaacceso=2022-12-21 |sitioweb=www.bnl.gov}}</ref> Tres nuevos experimentos se llevan a cabo en el [[Gran Colisionador de Hadrones]] (LHC) del CERN, ALICE,<ref name="Sin_nombre-1_5Vm-1"/> ATLAS y CMS, continuando con el estudio de las propiedades del QGP.

El QGP contiene [[quark]]s y [[Gluón|gluones]], como la materia [[Hadrón|hadrónica]] normal. La diferencia entre estos dos estados de la [[Cromodinámica cuántica|QCD]] es que en la materia normal cada cuark o bien se empareja con un [[antiquark]] para formar un [[mesón]] o se une con otros dos quarks para formar un [[barión]] (tal como el [[protón]] y el [[neutrón]]). En el QGP, en cambio, estos mesones y bariones pierden sus identidades y forman una masa mucho más grande de quarks y gluones.<ref>{{Cita web |url=http://theory.tifr.res.in/~sgupta/ilgti/infocenter/ |título=Infocenter ILGTI: Indian Lattice Gauge Theory Initiative |fechaacceso=2022-12-21 |fecha=2005-02-12 |sitioweb=web.archive.org |fechaarchivo=12 de febrero de 2005 |urlarchivo=https://web.archive.org/web/20050212185849/http://theory.tifr.res.in/~sgupta/ilgti/infocenter/ |deadurl= }}</ref> En la materia normal los quarks están ''confinados''; los quarks de QGP están ''deconfinados''.

En la teoría del Big Bang, el plasma de quark-gluones llenaba todo el [[Universo]] antes de que se creara la materia tal y como la conocemos. Las teorías que predecían la existencia del plasma de quarks y gluones se desarrollaron a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980.<ref>{{Cite book|last=Satz|first=H.|url=https://books.google.com/books?id=OY8uAAAAIAAJ|title=Mecánica estadística de quarks y hadrones: Actas de un simposio internacional celebrado en la Universidad de Bielefeld, F.R.G., 24-31 de agosto de 1980|date=1981|publisher=North-Holland|isbn=978-0-444-86227-3|language=en}}</ref> Los debates en torno a la experimentación con iones pesados se sucedieron<ref>{{Cite book|encyclopedia=Informe del taller sobre colisiones GeV/nucleón de iones pesados: cómo y por qué, 29 de noviembre-1 de diciembre de 1974, Bear Mountain, Nueva York|title=Desarrollos en el CERN|last=Cocconi|first=G. |date=Enero 1974|language=es|pages=78|osti=4061527}}</ref><ref>{{Cite news |last=Webb|first=C. |year=1979|title=Primer taller sobre colisiones nucleares ultrarrelativistas, LBL, 21-24 de mayo de 1979|series=LBL-8957|osti=5187301|language=en}}</ref><ref>{{Cite book|last1=Nakai|first1=Kōji|url=https://books.google.com/books? id=fPMWAQAAMAAJ|title=Interacciones nucleares de alta energía y propiedades de la materia nuclear densa: actas del Seminario de Hakone (Japan-U.S. Joint Seminar) celebrado en Hakone, del 7 al 11 de julio de 1980|last2=Goldhaber|first2=A. S.|last3=Shinkōkai|first3=Nihon Gakujutsu|last4=Fundación (EE.UU.)|first4=National Science|publisher=Hayashi-Kobo|year=1980|location=Tokio|language=en}}</ref><ref>{{Cite book|last=Darmstadt)|first=Workshop on Future Relativistic Heavy Ion Experiments (1980|url=http://repository.gsi.de/record/64831/|title=Proceedings: GSI Darmstadt, 7-10 de octubre de 1980|publisher=GSI|year=1981|language=en}}</ref><ref>{{Cite book|title=5º Estudio de Iones Pesados de Alta Energía, 18-22 de mayo de 1981: actas|publisher=Lawrence Berkeley Laboratory, University of California. |year=1981|series=LBL-12652|osti=5161227|language=en}}</ref> y se presentaron las primeras propuestas de experimentos en el [[CERN]]<ref>{{Cite book|url=https://cds. cern.ch/record/679458|title=Carta de intenciones: estudio de la producción de partículas y la fragmentación del blanco en reacciones centrales de <math>^{20}</math>Ne sobre Pb a 12 GeV por nucleón de energía del haz externo PS del CERN|date=1980|editor-last=CERN. Ginebra. Proton Synchrotron and Synchrocyclotron Committee}}</ref><ref>{{Cite book|url=https://cds.cern.ch/record/725513|title=Estudio de reacciones relativistas núcleo-núcleo inducidas por haces de <math>^{16}</math>O de 9-13 GeV por nucleón en el PS del CERN|publisher=CERN|year=1982|editor-last=CERN. Ginebra. Proton Synchrotron and Synchrocyclotron Committee|location=Ginebra}}</ref><ref>{{Cite book|last=Middelkoop|first=Willem Cornelis|url=https://cds.cern.ch/record/601487/|title=Observaciones sobre el posible uso del SPS para haces de <math>^{16}</math>0 iones|publisher=CERN|others=CERN. Ginebra. SPS Experiments Committee|year=1982|location=Ginebra}}</ref><ref>{{Cite book|url=https://cds.cern.ch/record/604345|title=Propuesta al SPSC: uso de la instalación <math>\Omega'</math> para colisiones p-, <math>\alpha</math>-, y <math>^{16}</math>0-uranio (CERN-SPSC-83-54)|publisher=CERN|year=1983|editor-last=CERN. Ginebra. SPS Experiments Committee|location=Ginebra}}</ref><ref>{{Cite book|title=Workshop on SPS Fixed-target Physics in the Years 1984-1989, CERN, Geneva, Switzerland, 6 - 10 Dec 1982|editor-last=Mannelli|editor-first=Italo |last=Albrow|first=M. G.|title=Experimentos con haces y blancos nucleares|publisher=CERN|year=1983|location=Ginebra|pages=462-476|doi=10.5170/CERN-1983-002-V-2.462|series=CERN-83-02|volume=2}}</ref><ref name=":3">{{Cite journal|last=Quercigh|first=E. |year=2012|title=Cuatro experimentos de iones pesados en el CERN-SPS: Un viaje por el carril de la memoria|url=http://www.actaphys.uj.edu.pl/vol43/abs/v43p0771|journal=Acta Physica Polonica B|language=en|volume=43|issue=4|pages=771|doi=10.5506/APhysPolB.43.771|s2cid=126317771 |issn=0587-4254|ref=3}}</ref> y [[Brookhaven National Laboratory|BNL]]<ref>{{Cite journal|year=1984|title=Informe del grupo de trabajo para la física relativista de iones pesados|journal=Nuclear Physics A|language=en|volume=418|pages=657-668|doi=10.1016/0375-9474(84)90584-0|bibcode=1984NuPhA.418 ..657.|url=https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc871114/}}</ref><ref>{{Cite book|last=Laboratory|first=Brookhaven National|url=https://books.google.com/books?id=jQ7yxQEACAAJ|title=Proposal for a 15A-GeV Heavy Ion Facility at Brookhaven|publisher=Brookhaven National Laboratory|year=1983|series=BNL 32250|language=en}}</ref> en los años siguientes. Plasma de quark-gluón<ref name=":0">{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=8AD3GDoVaMkC|title=Plasma de quark-gluón: fundamentos teóricos|publisher=North-Holland|year=2003|isbn=978-0-444-51110-2|editor-last=Kapusta|editor-first=J. I.|ubicación=Ámsterdam|editor-last2=Müller|editor-first2=B.|editor2-link=Berndt Müller|editor-last3=Rafelski|editor-first3=Johann|editor3-link=Johann Rafelski|ref=0}}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Jacob|first1=M. |last2=Tran Thanh Van|first2=J.|year=1982|title=Formación de materia de quarks y colisiones de iones pesados|journal=Physics Reports|language=en|volume=88|issue=5|pages=321-413|doi=10.1016/0370-1573(82)90083-7|url=http://cds.cern.ch/record/138264}}</ref> se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000.<ref name=":2" /><ref>{{cite arXiv|last1=Heinz|first1=Ulrich|last2=Jacob|first2=Maurice|date=2000-02-16|title=Evidencia de un nuevo estado de la materia: An Assessment of the Results from the CERN Lead Beam Programme|eprint=nucl-th/0002042}}</ref><ref>{{Cite news|last=Glanz|first=James|date=2000-02-10|title=Físicos de partículas cada vez más cerca del estallido que lo empezó todo|language=es-ES|work=The New York Times|url=https://www.nytimes.com/2000/02/10/world/particle-physicists-getting-closer-to-the-bang-that-started-it-all.html|access-date=2020-05-10|issn=0362-4331}}</ref>
[[File:CERNSPSExp.pdf|thumb|upright=2.5|Línea de tiempo del programa de iones pesados relativistas del CERN-SPS antes del descubrimiento del QGP.<ref name=":2">{{Cite journal|last=Rafelski|first=Johann|year=2015|title=Fundiendo hadrones, hirviendo quarks|journal=The European Physical Journal A|language=es|volume=51|issue=9|pages=114|doi=10.1140/epja/i2015-15114-0|arxiv=1508.03260|bibcode=2015EPJA...51..114R|s2cid=119191818|issn=1434-6001}}</ref>]]
== Producción ==
El QGP puede ser creado calentando la materia hasta una [[temperatura]] de 175 [[Electronvoltio|MeV]] (llamada temperatura de Hagedorn). Esto equivale a una temperatura de más de 1.66×10<sup>12</sup>{{esd}}[[Kelvin|K]]. Este proceso se puede lograr en el laboratorio haciendo chocar dos núcleos grandes con cantidades altas de energía. [[Plomo]] y [[oro]] han sido utilizados para hacer esto en el [[CERN]] [[Super Proton Synchrotron|SPS]] y RHIC, respectivamente. Los núcleos son acelerados a velocidades ultrarrelativistas y se hacen chocar el uno contra el otro cuando se [[Contracción de Lorentz|contraen]]. En gran parte se atraviesan el uno al otro, pero después del choque se crea un volumen caliente resultante llamado ''bola de fuego'' (''fireball''). Una vez creada, esta bola de fuego se ensancha, debido a su propia [[presión]], y se enfría al ensancharse. Mediante el estudio de este flujo los experimentadores esperan poder probar la teoría.

== Posición en el esquema general de la física ==
La [[cromodinámica cuántica]] es una parte de la teoría moderna de la [[física de partículas]] llamada el [[modelo estándar de física de partículas|modelo estándar]]. Otras partes de esta teoría tratan con el [[modelo electrodébil]] y los [[neutrinos]]. La [[electrodinámica cuántica]] ha sido probada y se ha encontrado correcta hasta unas pocas partes en un trillón. El [[modelo electrodébil]] ha sido probado y se ha encontrado correcto hasta unas pocas partes por millar. Los aspectos perturbativos de la QCD han sido probados a unas pocas partes por centena. Por contraste, los aspectos no-perturbativos de la [[QCD]] han sido apenas probados. El estudio del QGP forma parte de este esfuerzo de consolidar la gran teoría de la física de partículas.

La [[cromodinámica cuántica|QCD]] es una parte de la moderna teoría de la [[física de partículas]] llamada [[Modelo estándar]]. Otras partes de esta teoría tratan de las [[interacciones electrodébiles]] y los [[neutrinos]]. La [[electrodinámica cuántica|teoría de la electrodinámica]] ha sido probada y se ha encontrado correcta en unas pocas partes entre mil millones. La [[interacción electrodébil|teoría de las interacciones débiles]] ha sido probada y es correcta en una proporción de unas pocas partes en mil. Las formas perturbativas de la QCD se han probado con una precisión de unas pocas partes por ciento.<ref>{{Cite journal|last1=Tanabashi|first1=M.|last2=Hagiwara|first2=K. |last3=Hikasa|first3=K.|last4=Nakamura|first4=K.|last5=Sumino|first5=Y.|last6=Takahashi|first6=F.|last7=Tanaka|first7=J.|last8=Agashe|first8=K. |last9=Aielli|first9=G.|last10=Amsler|first10=C.|last11=Antonelli|first11=M.|year=2018|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-qcd.pdf|journal=Physical Review D|language=en|volume=98|issue=3|pages=1-708|doi=10.1103/PhysRevD.98.030001|pmid=10020536|bibcode=2018PhRvD..98c0001T|issn=2470-0010}}</ref> Los modelos perturbativos asumen cambios relativamente pequeños respecto al estado fundamental, es decir, temperaturas y densidades relativamente bajas, lo que simplifica los cálculos a costa de la generalidad. Por el contrario, las formas no-perturbativas de QCD apenas se han probado. El estudio del QGP, que tiene tanto una temperatura como una densidad elevadas, forma parte de este esfuerzo por consolidar la gran teoría de la física de partículas.

El estudio de la QGP es también un campo de pruebas para la [[Teoría cuántica de campos térmicos|Teoría de campos a temperatura infinita]], una rama de la física teórica que trata de comprender la física de partículas en condiciones de alta temperatura. Estos estudios son importantes para comprender la evolución temprana de nuestro universo: [[Cronología del Big Bang#Universo muy temprano|los primeros cien microsegundos]] aproximadamente. Es crucial para los objetivos físicos de una nueva generación de observaciones del universo ([[Wilkinson Microwave Anisotropy Probe|WMAP]] y sus sucesoras). También es relevante para la [[teoría de la gran unificación|Teorías de la gran unificación]] que pretende unificar las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza (excluyendo la gravedad).

=== Razones para estudiar la formación del plasma de quark-gluones ===
El modelo generalmente aceptado de la formación del [[Universo]] afirma que ocurrió como resultado del [[Big Bang]]. En este modelo, en el intervalo de tiempo de 10<sup>-10</sup>-10<sup>-6</sup> s después del Big Bang, la materia existía en forma de plasma de quark-gluones. Es posible reproducir la densidad y la temperatura de la materia existente de aquella época en condiciones de laboratorio para estudiar las características del Universo muy primitivo. Hasta ahora, la única posibilidad es la colisión de dos [[Núcleo atómico|núcleos atómicos]] pesados acelerados a energías de más de cien GeV. Utilizando el resultado de una colisión frontal en un volumen aproximadamente igual al volumen del núcleo atómico, es posible modelizar la densidad y la temperatura que existían en los primeros instantes de la vida del Universo.
=== Relación con el plasma normal ===

Un [[Plasma (física)|plasma]] es materia en la que las [[Carga (física)|cargas]] están [[Longitud de Debye|apantalladas]] debido a la presencia de otras cargas móviles.  Por ejemplo: La [[Ley de Coulomb]] es suprimida por el apantallamiento para producir una carga dependiente de la distancia, <math>Q \rightarrow Q e^{-r/\alpha}</math>, es decir, la carga Q se reduce exponencialmente con la distancia dividida por una longitud de apantallamiento α. En un QGP, la [[carga de color]] de los [[quark]]s y [[gluon|gluone]]s está apantallada. El QGP tiene otras analogías con un plasma normal. También hay disimilitudes porque la carga de color es grupo no abeliano, mientras que la [[carga eléctrica]] es abeliana. Fuera de un volumen finito de QGP el campo color-eléctrico no está apantallado, de modo que un volumen de QGP debe seguir siendo de color neutro. Por lo tanto, al igual que un núcleo, tendrá una carga eléctrica entera.

Debido a las energías extremadamente altas involucradas, los pares quark-antiquark se producen por [[Creación de pares| producción de pares]] y por lo tanto QGP es una mezcla aproximadamente igual de quarks y antiquarks de varios sabores, con sólo un ligero exceso de quarks. Esta propiedad no es una característica general de los plasmas convencionales, que pueden estar demasiado fríos para la producción de pares (véase, sin embargo, [[supernova de inestabilidad de pares]]).

== Propiedades esperadas ==
=== Termodinámica ===
La temperatura de cambio de la materia hadrónica normal al estado de QGP está alrededor de los 175 [[Electronvoltio|MeV]], correspondiendo a una densidad de energía de un poco menos de 1 [[Electronvoltio|GeV]]/[[Metro|fm]]³. Para la materia relativista, la presión y la temperatura no son variables independientes, así que la [[ecuación de estado]] es una relación entre la densidad de energía y la presión. Esto ha sido encontrado por cómputos de [[retículo (orden)|retículos]], y comparado con la [[teoría perturbacional]] y la [[teoría de cuerdas]]. Esto es todavía un asunto de investigación activa. Funciones de respuesta tales como el [[calor específico]] y varios números de susceptibilidades de cuark están siendo calculados actualmente. 

=== Flujo ===
La ecuación de estado es una entrada importante en las ecuaciones del flujo. La [[velocidad del sonido]] está actualmente bajo investigación en cómputos de retículos. El [[recorrido libre medio]] de quarks y gluones ha sido computado utilizando la [[teoría perturbacional]] así como la [[teoría de cuerdas]]. Los cómputos de [[retículo (orden)|retículo]]s han sido más lentos aquí, aunque los primeros cómputos de [[viscosidad|coeficientes de transporte]] hayan sido concluidos recientemente. Estos indican que el tiempo libre medio de quarks y gluones en el QGP puede ser comparable al espacio medio entre partículas: por tanto el QGP es un líquido, de acuerdo con sus propiedades de flujo. Esto es un campo activo de investigación, por lo que estas conclusiones pueden evolucionar rápidamente. La incorporación de los fenómenos disipativos en hidrodinámica es otro acontecimiento reciente que se encuentra todavía en su fase activa.

=== Espectro de excitación ===
El estudio de propiedades termodinámicas y de flujo indican que el QGP no contiene quarks y gluones casi libres. Hay muchas ideas que están evolucionando actualmente y serán comprobadas en un futuro próximo. Se ha descubierto recientemente que algunos mesones constituidos de quarks pesados (tal como el [[cuark encantado]]) no se disuelven hasta que la temperatura no llega cerca de 350 [[Electronvoltio|MeV]]. Esto ha llevado a la especulación de que en el plasma pueden existir muchas otras clases de estados. Algunas propiedades constantes del plasma (como la [[longitud de Debye]]) restringen el espectro de excitación.

=== Hipótesis Glasma ===

Desde 2008 se discute sobre un hipotético estado precursor del plasma de quarks-gluones, el llamado "Glasma", en el que las partículas vestidas se condensan en algún tipo de estado vítreo (o amorfo), por debajo de la transición genuina entre el estado confinado y el líquido plasmático.<ref>{{Cite journal |title=From Glasma to Quark Gluon Plasma in heavy ion collisions |year=2008 |arxiv=0806.1356 |bibcode = 2008JPhG...35j4003V |doi = 10.1088/0954-3899/35/10/104003 |volume=35 |issue=10 |journal=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics |page=104003|last1=Venugopalan |first1=Raju |s2cid=15121756 }}</ref> Esto sería análogo a la formación de vidrios metálicos, o aleaciones amorfas de ellos, por debajo del inicio genuino del estado metálico líquido.

Aunque las altas temperaturas y densidades experimentales predichas como productoras de un plasma de quarks-gluones se han realizado en el laboratorio, la materia resultante no se comporta como un estado cuasi-ideal de quarks y gluones libres, sino, más bien, como un fluido denso casi perfecto.<ref name="Zajc">{{Cite journal|author=WA Zajc|year=2008|title=The fluid nature of quark–gluon plasma|journal=Nuclear Physics A|volume=805|issue=1–4|pages=283c–294c|arxiv=0802.3552|bibcode=2008NuPhA.805..283Z|doi=10.1016/j.nuclphysa.2008.02.285|s2cid=119273920}}</ref> En realidad, el hecho de que el plasma de quarks-gluones no sea todavía "libre" a las temperaturas realizadas en los aceleradores actuales se predijo en 1984 como consecuencia de los efectos remanentes del confinamiento.<ref>{{Cite journal|last1=Plümer|first1=M.|last2=Raha|first2=S.|last3=Weiner|first3=R. M.|year=1984|title=How free is the quark–gluon plasma|journal=Nucl. Phys. A|volume=418|pages=549–557|bibcode=1984NuPhA.418..549P|doi=10.1016/0375-9474(84)90575-X}}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Plümer|first1=M.|last2=Raha|first2=S.|last3=Weiner|first3=R. M.|year=1984|title=Effect of confinement on the sound velocity in a quark–gluon plasma|journal=Phys. Lett. B|volume=139|issue=3|pages=198–202|bibcode=1984PhLB..139..198P|doi=10.1016/0370-2693(84)91244-9}}</ref>

== Véase también ==
* [[Plasma (estado de la materia)]]
* [[Hadrón]]
* [[Materia nuclear]]
* [[Materia extraña]]
* [[Confinamiento del color]]
* [[Cromodinámica cuántica]]
* [[Electrodinámica cuántica]]
* [[Experimento ALICE]]

== Referencias ==
{{Listaref}}

== Enlaces externos ==
* [http://www.bnl.gov/rhic/ Colisionador relativista de Iones Pesados (RHIC)]
* [https://web.archive.org/web/20071017064646/http://aliceinfo.cern.ch/index.html El experimento ALICE]
* [http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=1245 Artículo en Astroseti]

{{Control de autoridades}}
[[Categoría:Cromodinámica cuántica]]
[[Categoría:Física de plasma]]
[[Categoría:Estados de la materia]]
[[Categoría:Materia exótica]]