Descripción general
La investigación en física nuclear se centra en comprender la materia compuesta por quarks y gluones, que constituyen el 99% de la masa del universo. La mayor parte de esta materia se encuentra en el núcleo de los átomos, los mismos átomos que comprenden todo lo que vemos a nuestro alrededor (incluidos nosotros mismos). Los investigadores buscan responder a preguntas como cómo evolucionó el universo justo después del Big Bang a partir de un plasma súper caliente de quarks y gluones, cómo se formaron los diferentes elementos del universo y cómo se compone un núcleo de protones y neutrones individuales que interactúan entre sí con la fuerza más fuerte de la Naturaleza. Los protones y neutrones en sí mismos son los estados enlazados básicos de los quarks en el universo; la forma en que estos estados se forman a partir de los quarks que interactúan con el campo gluónico descrito por la Cromodinámica Cuántica es todavía poco conocida y está bajo estudio activo.
Investigación Experimental de Física Nuclear
La investigación experimental moderna en este campo utiliza la aceleración de alta energía de protones y núcleos grandes, mientras que gran parte de la investigación teórica moderna se basa en instalaciones computacionales de alta potencia para comprender datos y hacer predicciones detalladas. La Universidad de Colorado tiene grupos activos en investigación teórica y experimental en física nuclear.
Facultad participante
Investigación teórica de Física Nuclear
Los físicos en este campo exploran la naturaleza de la fuerza fuerte estudiando la teoría de la Cromodinámica Cuántica. A diferencia de la teoría cuántica del electromagnetismo, la Cromodinámica cuántica tiene la propiedad de que las partículas fundamentales (quarks y gluones) interactúan cada vez más débilmente cuando se sondean a escalas o temperaturas de energía cada vez más altas. Esta propiedad de la teoría se llama libertad asintótica.
Plasma de Quark-Gluón
Una consecuencia interesante de la libertad asintótica es que, en cierto estado de temperamento, la interacción debe ser tan débil que las partículas fundamentales ya no estén unidas (con nadas) dentro de núcleos ordinarios. Usando simulaciones por computadora de última generación de Cromodinámica Cuántica a temperatura nocturna, es posible calcular esta temperatura para que sea de T≈170 MeV, o aproximadamente 2 billones de Kelvin. Por encima de esta temperatura, la materia se encuentra en una nueva fase de la materia, llamada plasma de quark-gluón. Las propiedades de este plasma de quarks y gluones se investigan actualmente utilizando experimentos en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) y el Colisionador de Hadrones Grandes (LHC).
Hidrodinámica relativista
Los datos experimentales de RHIC y LHC indican claramente que el plasma de quarks-gluones es un líquido excepcionalmente bueno, con una viscosidad muy pequeña. Esto motiva el estudio teórico de los resultados experimentales utilizando simulaciones dinámicas de fluidos. Dado que la energía involucrada en estos experimentos es muy grande, los componentes del fluido se mueven casi a la velocidad de la luz, por lo que es necesario usar una versión totalmente relativista de la hidrodinámica.
Estrellas de neutrones
Las densidades muy altas son similares a las temperaturas muy altas en el sentido de que la interacción de la cromodinámica cuántica se vuelve débil. Se espera que los centros de las estrellas de neutrones alcancen las densidades de partículas más altas del universo, por lo que es posible que las estrellas de neutrones alberguen materia de quarks en sus núcleos internos. El estudio de las propiedades de las estrellas de neutrones y la comparación con los datos de observación es también uno de los temas de investigación de la física nuclear teórica.
Facultad participante
- Paul Romatschke