Nuevas pruebas experimentales de la restauración de la simetría quiral a alta densidad de materia.

14 de abril de 2023 función

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

El vacío QCD (es decir, el estado fundamental del vacío en el régimen de cromodinámica cuántica) se caracteriza teóricamente por la presencia de valores de expectativa no nulos de condensados, como gluones y pares quark-antiquark. En lugar de asociarse con una falta de partículas e interacciones en un espacio vacío, la teoría de la física considera que este estado está lleno de los llamados condensados, que tienen los mismos números cuánticos que el vacío y no se pueden observar directamente. 

Aunque muchos físicos teóricos han discutido las propiedades del vacío QCD, validar experimentalmente estas predicciones teóricas ha resultado difícil hasta ahora, simplemente porque los condensados en este estado son elusivos y no pueden ser detectados directamente. Una pista de 'observación' experimental se puede encontrar en las predicciones teóricas de las propiedades del vacío QCD.

Las teorías predicen que el condensado puede disminuir en la alta temperatura y / o en alta densidad de materia debido a la restauración parcial de la llamada simetría quiral. Para demostrar estas teorías, algunos investigadores recolectaron mediciones durante colisiones ultra-relativistas de iones pesados ​​cara a cara a temperaturas particularmente altas. Otros esfuerzos en esta área intentaron sondear las propiedades del vacío QCD midiendo los llamados 'efectos del medio'. Estos son esencialmente efectos que alteran el vacío QCD y su estructura, motivados por la presencia de alta densidad de materia como la materia nuclear.

Investigadores del Centro RIKEN Nishina de Ciencias Basadas en Aceleradores, la Universidad Femenina de Nara, el Instituto de Investigaciones con Iones Pesados ​​de Alemania y otros institutos en todo el mundo se han propuesto recopilar información experimental sobre los efectos del medio en núcleos a temperaturas más bajas. En sus experimentos, presentados en un artículo de Nature Physics, utilizaron técnicas de espectroscopía para medir los estados de los átomos piónicos en (Sn), sistemas ligados que consisten en un pión y núcleo atómico.

'La existencia de la estructura oculta del vacío es una de las preguntas más importantes de la física de la era moderna', dijo Kenta Itahashi, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, a Phys.org. 'La estructura 'no trivial' del vacío ha sido discutida teóricamente durante mucho tiempo. Por ejemplo, Nambu describió la ruptura espontánea de la simetría del vacío. A pesar de las muchas teorías relacionadas, la evidencia experimental en esta área ha sido hasta ahora limitada.'

El objetivo principal del trabajo reciente de Itahashi y sus colegas fue elucidar aún más la estructura oculta del vacío QCD y su evolución a lo largo de la historia del universo. Según las predicciones teóricas, la condensación de pares quark-antiquark (es decir, condensados ​​quirales) en este estado de vacío quebraría la simetría quiral del vacío.

En temperaturas y / o densidades de materia altas, la simetría quiral se restauraría parcialmente, lo que teóricamente debería reducir el valor esperado de los condensados ​​quirales. En sus nuevos experimentos, el equipo se propuso deducir el valor esperado de los pares quark-antiquark en el vacío QCD midiendo átomos piónicos a altas densidades y temperaturas más bajas con técnicas de espectroscopía de alta precisión.

'Medimos sistemas ligados pión-nucleares de manera espectroscópica', explicó Itahashi. 'Nuestra espectroscopía proporciona información complementaria que puede analizarse junto con los hallazgos experimentales anteriores que se centran en colisiones cara a cara. Al igual que dibujar un diagrama de fases del agua o materiales superconductores, quisimos dibujar un diagrama de fases del vacío en un plano de temperatura y densidad. En cierto sentido, la materia nuclear se comporta como una impureza cargada en el vacío'.

Los investigadores descubrieron que sus mediciones eran consistentes con la ruptura espontánea de la simetría quiral del vacío QCD descrita por la teoría de Nambu. Combinado con los resultados de un estudio pionero que realizaron hace casi dos décadas, este trabajo avanza en la comprensión actual del vacío QCD, la ruptura y restauración de la simetría quiral y cómo esto afecta el valor esperado de los condensados ​​quirales a alta temperatura y / o alta densidad de materia.

'As far as we know, there is currently no information on the order parameter at a high-matter density that was as accurately determined as ours,' Itahashi said. 'In our next studies, we wish to investigate the density dependence of the chiral symmetry. We already plotted the first point of the chiral order parameter on the density axis and we now plan to study the density derivative by making a systematic measurement. In addition, we also wish to develop a new pionic atom spectroscopy technique to reach higher precision and to enable the study of pionic atom formation with radioisotopes.'

Journal information: Nature Physics

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