Chapter 3: Methodology
4.2 The Minds of Mindfulness: MindUp, Tech-Minded, and the Creative Mind
4.2.1. The creative mind
3. LOS NUCLEOS COLISIONANTES proporcionan el mecanismo básico S proporcionan el mecanismo básico para inves-para inves-
tigar la ecuación de estado nuclear. En la figura, dos núcleos de oro chocan ligera- tigar la ecuación de estado nuclear. En la figura, dos núcleos de oro chocan ligera- mente descentrados (
mente descentrados (11). En la zona comprimida caliente formada por la onda de). En la zona comprimida caliente formada por la onda de
choque, la materia compuesta de protones, piones y otras partículas ligeras (quizá choque, la materia compuesta de protones, piones y otras partículas ligeras (quizá quarks y gluones) se deforma perpendicularmente al plano de la reacción (
quarks y gluones) se deforma perpendicularmente al plano de la reacción ( 2 2). Los). Los
restos de los dos núcleos rebotan luego entre sí (
nes, pudiendo además servir aquí como barómetros para medir la pre- sión de la materia quarkónica ultra- densa.
Los modelos teóricos han alcanzado un extraordinario grado de refina- miento. Además de ser capaces de pre- decir los resultados experimentales, también son utilizables para describir los estados transitorios de una coli- sión, especialmente las primeras fases en las que la materia está sometida a máximo calor y presión.
No obstante, los aceleradores exis- tentes no son capaces de comunicar a los iones muy pesados (los que contie- nen unos 200 nucleones) energía sufi- ciente para formar la fase de plasma. Aunque pudieran hacerlo, muchas de las condiciones necesarias para for- mar el plasma de quarks y gluones seguirían desafiando la comprobación experimental. Por ejemplo, el espectro de los piones producidos en la colisión debería indicar la formación del plasma, pero están sujetos a una evo- lución dinámica complicada durante la expansión del sistema, y este pro- ceso puede distorsionar la informa- ción que ofrecen. Por si fuera poco, no se sabe cómo determinar el tamaño exacto de la zona de reacción corres- pondiente a la compresión máxima.
Debido a las limitaciones de los ace- leradores de iones pesados, algunos físicos están buscando obtener plasma mediante la colisión de iones ligeros, formados por unos 30 nucleones. Las medidas señalan densidades energé- ticas de 10 a 20 veces la densidad ener- gética nuclear normal, próximas a la densidad crítica que se considera necesaria para formar el plasma de quarks y gluones.
Sin embargo, los resultados delGSI-
LBL plantean inmediatamente la cues- tión de si se puede formar plasma de quarks y gluones cuando chocan iones ligeros. Lo más probable es que estos iones ligeros no sean lo bastante grue- sos para frenarse entre sí y formar por lo tanto un estado de materia densa. Pero aunque pudiera formarse plasma de quarks y gluones en los sistemas ligeros, este plasma se expandiría rápidamente, se enfriaría y sufriría una transición de fase a materia hadrónica. Se deberán encontrar por tanto señales que provengan sola- mente de la existencia transitoria del plasma de quarks y gluones. Tales señales serían más difíciles de detec- tar en sistemas de iones ligeros que en los pesados, a causa del elevado ruido de fondo.
C
iertos investigadores preferirían buscar la fase de materia quarkó- nica mediante partículas que interac- cionan débilmente, tales como fotones o pares de leptones (electrones, muo- nes y sus correspondientes partículas de antimateria). Los fotones y los lep- tones se forman en la parte del sis- tema donde el calor es máximo y pene- tran el material de su alrededor sin reaccionar, proporcionando así una señal directa de la fase de plasma ini- cial según la describe la ecuación de estado nuclear.Las mencionadas partículas han proporcionado signos tentadores de la producción de la fase de plasma. En 1988 un equipo delCERN detectó una espectacular disminución en la pro- ducción de pares muon-antimuón, manifestación del plasma que había sido predicha por Tetsuo Matsui, del
Instituto de Tecnología de Massachu- setts (MIT), y Helmut Satz, delCERN. Estas partículas provienen de la des- integración de determinados hadro- nes. Sin embargo, como han demos- trado Sean Gavin y Miklos Gyulassy, del LBL, la observada disminución puede explicarse mediante la forma- ción de fluido hadrónico ultradenso en vez del plasma de quarks y gluones. Tal vez ofrezcan indicaciones más con- cluyentes los investigadores delCERN
que actualmente están buscando foto- nes directos en las colisiones entre núcleos ligeros (azufre) y un blanco pesado (oro).
A mitad de la década de los ochenta, Peter Koch, de la Universidad de
4. DEFORMACION, un fenómeno que 4. DEFORMACION, un fenómeno que sólo recientemente ha tenido confirma- sólo recientemente ha tenido confirma- ción experimental. Se manifiesta por un ción experimental. Se manifiesta por un fuerte incremento en la energía cinética fuerte incremento en la energía cinética de las partículas emitidas a 90 grados de las partículas emitidas a 90 grados por encima y por debajo del plano de la por encima y por debajo del plano de la reacción.
reacción.
5. LA INTENSIDAD DEL IMPACTO determina si dos n
5. LA INTENSIDAD DEL IMPACTO determina si dos n úcleosúcleos
(cada uno de los cuales se mueve aquí a 0,34 veces la velo- (cada uno de los cuales se mueve aquí a 0,34 veces la velo- cidad de la luz) se detienen mutuamente. Las velocidades cidad de la luz) se detienen mutuamente. Las velocidades de los fragmentos resultantes tienden hacia cero al hacer- de los fragmentos resultantes tienden hacia cero al hacer-
se más directas las colisiones (
se más directas las colisiones (aa yybb). En las colisiones). En las colisiones
centrales, prácticamente toda la masa yace en reposo y centrales, prácticamente toda la masa yace en reposo y concentrada allá dond
concentrada allá dond e debería estar el centro de masas dee debería estar el centro de masas de
los dos núcleos (
76 TEMAS9
Ratisbona, Johann Rafelski, de la de Ariz ona, y Bern d Müller, de la de Duke, sugirieron la existencia posible de otra manifestación del plasma de quarks y gluones. En efecto, si se forma realmente plasma, lo más pro- bable es que los abundantes gluones térmicos se fusionen para crear nume- rosos pares de quarks extraños y anti- extraños. Dada la imposibilidad de que haya quarks aislados en un estado no ligado, éstos se condensarían en un elevado número de partículas elemen- tales extrañas y antiextrañas, llama- das kaones e hyperones. La abun- dante producción de tales entes seña- laría la presencia de un plasma de quarks y gluones.
Utilizando las instalaciones del Laboratorio Nacional de Brookhaven, un equipo japonés-americano, consti- tuido por expertos de 10 instituciones, daba cuenta, recientemente, del incre- mento de la producción de extrañeza. En efecto, al bombardear un blanco de oro con un haz de silicio de 15 GeV por nucleón, se apreció un fuerte aumento en la producción de kaones. Dos equi- pos internacionales que trabajan en el
CERN han aportado más pruebas del aumento de extrañeza. Los grupos, encabezados por Emanuele Quercigh, delCERN, y Stock, observaron un gran
aumento del número de antihypero- nes producidos. Todas estas observa- ciones pueden explicarse por la forma- ción de un plasma de quarks y gluo- nes. Los estudios teóricos de Mattiello, Sorge, Walter Greiner y Stöcker indi- can, sin embargo, que el crecimiento de producción de kaones y sus espec- tros puede también entenderse si se forma un fluido hadrónico ultradenso, en vez de un plasma de quarks y gluo- nes. No obstante, la producción de antihyperones ha desconcertado a muchos teóricos y sigue siendo un pro- blema intrigante.
A
partir de la fase de plasma pue-den formarse otras partículas, incluso más exóticas. Su presencia confirmaría inequívocamente la exis- tencia del plasma y proporcionaría una manifestación de la ecuación de estado nuclear en un dominio todavía sin explorar. Por ejemplo, la fase de plasma podría producir glóbulos con- sistentes en un gran número de quarks arriba (“quarks up”) y quarks abajo (“quarks down”), que denominaremos gotas multiquarks. Estas gotas debe- rían ser relativamente masivas; de lo contrario, todos los núcleos serían inestables y se desintegrarían. Podrían, sin embargo, ser estables lasgotas si también contuvieran quarks extraños. Sui Chin y Arthur K. Ker- man, delMIT, y Larry D. McLerran y James D. Bjorken, entonces en la Uni- versidad de Stanford, sugirieron dos razones para la estabilidad de tales “gotas de extrañeza” o “gotas extra- ñas”.
La primera razón es que los estados cuánticos más bajos disponibles están ocupados. Por tanto, cualquier transi- ción potencial a estos estados va con- tra el principio de exclusión de Pauli, según el cual cada estado cuántico sólo puede ser ocupado por una partícula. El principio de exclusión elimina la desintegración del quark extraño en un quark arriba.
La segunda explicación implica un aumento de la energía de enlace del sistema, siendo entonces razonable que la materia quarkónica extraña esté ligada con intensidad suficiente para hacerse absolutamente estable. Esta condición, propuesta por Bod- mer, Edward Witten, de la Universi- dad de Princeton, y Edward Farhi y Robert L. Jaffe, delMIT, representaría el auténtico estado fundamental de la materia, es decir, el punto cero de la ecuación de estado nuclear.
U
na conclusión de esta índole de- pende de una determinada elec- ción de los parámetros de la ecuación de estado de la materia quarkónica, todavía desconocida. Otras teorías sostienen que una gota de quarks sólo puede ser metastable. La gota podría desintegrarse lentamente, emitiendo un nucleón y un pion e incluso podrían darse vidas medias más largas si la energía de la gota fuera tal que inhi- biera la desintegración en un protón y un pion. Partiendo de los conoci- mientos actuales, no puede descar- tarse ni una ni otra forma de estabili- dad de las gotas de extrañeza (“stran- gelets”).6. CAIDA DE LA TEMPERATURA DEL UNIVERSO desde la gran
6. CAIDA DE LA TEMPERATURA DEL UNIVERSO desde la gran explosión. Se creeexplosión. Se cree
que durante el primer microsegundo toda la materia existió en forma de plasma de que durante el primer microsegundo toda la materia existió en forma de plasma de quarks y gluones. A medida que el universo se expandió y enfrió, el plasma se con- quarks y gluones. A medida que el universo se expandió y enfrió, el plasma se con- densó en materia más compleja, llegando finalmente a los átomos que observamos densó en materia más compleja, llegando finalmente a los átomos que observamos hoy día. Los aceleradores que hoy se construyen deben ser capaces de calentar los hoy día. Los aceleradores que hoy se construyen deben ser capaces de calentar los núcleos hasta 2
núcleos hasta 2 10 101212 kelvins (200 millones de electronvolt, MeV), creando qu kelvins (200 millones de electronvolt, MeV), creando qu izá laizá la
tan buscada materia quarkónica primordial. tan buscada materia quarkónica primordial.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA
F
FROMROM Q QUARKSUARKS TOTO THETHE C COSMOSOSMOS: T: TOOLSOOLS OFOF D
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N
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AND
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OF
OF THETHE QQUARKUARK-G-GLUONLUON PPLASMALASMA. Dirigido por Walter Greiner y Horst Stöcker. Ple- num Publishing, 1990.
S
SIMULATINGIMULATING HHOTOT QQUARKUARK MMATTERATTER. Jean Potvin en American Scientist , volumen 79, número2, páginas 116-129; marzo- abril de 1991.
L
a naturaleza se burla de noso- tros con sus secretos más ínti- mos. Lanza una pista para cau- tivar nuestro interés y luego siembra el camino de obstáculos y señuelos. Tras seguir uno de estos rastros tor- tuosos durante cinco décadas, los físi- cos experimentales se han alzado con el triunfo al detectar la huella de la desintegración beta doble, el más raro de cuantos sucesos radiactivos se hayan jamás observado en el labora- torio. El estudio de la desintegración beta doble ilumina el destino y la estructura del universo.En un suceso beta doble, dos neu- trones se desintegran simultánea- mente para dar lugar a dos protones, dos rayos beta (electrones) y dos anti- neutrinos (la versión en antimateria de las huidizas partículas llamadas neutrinos). Los físicos se hallan hoy empeñados en la búsqueda de otro tipo de desintegración beta doble, en la que no se producen neutrinos ni antineu- trinos. Si se descubriera semejante suceso, podría revelarnos uno de los mayores misterios de la naturaleza: ¿cuál es, si es que tiene, la masa del neutrino?
La teoría conocida por modelo estándar de las partículas elementa- les y las fuerzas básicas sugiere que esta partícula eléctricamente neutra no debería tener masa y sí acompañar siempre a cada electrón en la desinte- gración beta doble. Pero el modelo es, como mínimo, incompleto. Aunque explica con éxito las interacciones que surgen de dos de las cuatro fuerzas fundamentales (las fuerzas electro- magnética y débil), no logra incorpo- rar las dos restantes (la fuerza fuerte y la gravedad).
Varias teorías que van más allá del modelo estándar aventuran que el neutrino debería tener una masa defi- nida. Los sucesos beta doble que acon- tecen sin la liberación de neutrinos o
antineutrinos serían una consecuen- cia directa de la masa del neutrino. A pesar de que la masa que estas teo- rías asignan a dicha partícula es al menos 10.000 veces menor que la masa de un electrón, los neutrinos inundan el cosmos. Si poseen masa, podrían constituir el componente mayoritario de la misteriosa masa oscura que influye en la evolución de las galaxias y, tal vez, en la evolución global del universo mediante su atrac- ción gravitatoria.
La radiactividad en general es con- secuencia de la inestabilidad del núcleo atómico. Si del cambio de un neutrón a un protón en el núcleo resulta un átomo más ligero, la trans- formación se produce mediante una desintegración beta simple, que libera un electrón y un antineutrino. La dife- rencia de masa entre el átomo padre y su vástago es la energía de que dis- ponen el electrón y el antineutrino expulsados, de acuerdo con el princi- pio de Einstein de equivalencia entre masa y energía. Pero si el cambio de neutrón a protón diera lugar a un átomo dotado de mayor masa, enton- ces el principio de la conservación de la energía no permitiría la desintegra- ción beta.
El nuevo protón creado por desinte- gración beta altera las propiedades químicas del átomo y lo convierte en el elemento siguiente de la tabla perió- dica. La carga negativa del electrón emitido compensa la carga positiva del nuevo protón, cumpliéndose con ello la ley de la conservación de la carga. (Por el proceso recíproco, bas- tante inusual, un protón se trans- forma en un neutrón, el átomo retro- cede al elemento anterior de la tabla periódica y se emite un electrón posi- tivo —un positrón— acompañado de un neutrino.)
El tipo observado de desintegración beta doble ofrece el mismo resultado
que una secuencia de dos desintegra- ciones beta simple, pero no puede pre- sentarse como dos desintegraciones separadas porque la primera desinte- gración beta está prohibida desde el punto de vista energético: crearía un núcleo hijo más pesado que el proge- nitor. Sólo el producto de la segunda desintegración es más liviano que el núcleo srcinal. Las dos desintegracio- nes beta simple deben ocurrir simul- táneamente y mediante un proceso de efecto túnel mecánico-cuántico a tra- vés de la barrera energética que repre- senta la primera desintegración. Los productos de desintegración de la pri- mera fase —virtual— no se materia- lizan hasta que ha terminado la segunda fase. La desintegración beta doble libera siempre dos rayos beta: electrones o positrones rápidos. La historia de la física, sin embargo, no ha aclarado todavía si los neutrinos deben acompañar siempre a los rayos beta.