Intersecciones de Física Nuclear Densa con Átomos Fríos y Estrellas de Neutrones.

Los sistemas nucleares (Desde el núcleo atómico de la materia en las estrellas de neutrones a la materia formada en colisiones de iones pesados ultra-relativistas) son sistemas complejos multipartículas los cuales exhiben un amplio rango de comportamientos colectivos, por ejemplo, la superfluidez. Esta faceta, compartida en común con la materia estudiada por los físicos de materia condensada, físicos atómicos, químicos cuánticos y científicos de materiales, ha abierto espléndidas oportunidades para el cruce valioso y productivo de información entre esos campos. De creciente importancia es la intersección de la física nuclear y los gases atómicos ultrafríos.

Las nubes de gases atómicos permiten a los físicos controlar las condiciones experimentales tales como las densidades de partículas y las fuerzas de interacción, un control intrínsecamente no disponible para los físicos nucleares. Este control ha inspirado a los físicos nucleares para desarrollar cuadros más unificados de material nuclear, más allá de las limitaciones de los sistemas de los laboratorios nucleares, y ver los puntos en común con los sistemas atómicos. La flexibilidad experimental de los sistemas atómicos fríos los hace ideales para explorar fases exóticas y la dinámica cuántica en estos sistemas de Fermi fuertemente vinculados.

Los plasmas de Quark-Gluón en colisiones de iones pesados ultrarelativistas son los materiales más calientes que se puedan producir en el laboratorio, con temperaturas de varios billones de grados. Por otro lado, las nubes de átomos ultrafríos atrapados son los sistemas más fríos del Universo, alcanzando temperaturas tan bajas como un mil millonésimo de grado por arriba del cero absoluto. Sin embargo, a pesar de esta diferencia de temperaturas y energías, los dos sistemas comparten conexiones físicas significativas, lo que permite la ‘fertilización cruzada’ entre la física de alta energía nuclear y la física de átomos ultrafríos. Ambos sistemas, cuando interactúan fuertemente, tienen las viscosidades más pequeñas (Comparadas con su entropía o grado de desorden) de cualquier sistema en el Universo. La transición observada en las nubes de átomos fríos fuertemente interactuando de estados superfluidos emparejados, análogos a electrones superconducidos en un metal, a estados de moléculas BEC (Condensado Bose-Einstein) consistentes de dos fermiones atómicos, capta ciertos aspectos de la transición de un plasma de Quark-Gluón a la materia hadrónica ordinaria hecha de neutrones, protones y mesones.

El emparejamiento superfluido en la interacción de baja densidad de los sistemas atómicos fermiónicos es muy similar a la vinculación en materia de neutrones de baja densidad en las estrellas de neutrones. En la imagen destacada, se observa la comparación de la energía predicha a de una nube de baja densidad de neutrones superfluidos fríos con la de fermiones atómicos fríos, ya que la densidad aumenta, y muestra como los dos sistemas se comportan en común. Aunque las escalas de energía son muy diferentes, las interacciones atractivas entre fermiones en ambos sistemas producen huecos en pares extremadamente grandes, del orden de un tercio a la mitad de la energía de Fermi, y en este sentido estos sistemas son los superfluidos de temperatura más alta conocidos. Los experimentos en átomos fríos pueden medir las energías y los huecos de emparejamiento superfluido de fermiones fríos desde el acoplamiento débil hasta el fuerte, y proporciona pruebas sensibles de las teorías utilizadas para calcular las propiedades de la materia en el exterior de las estrellas de neutrones, núcleos enriquecidos en gran proporción de neutrones, y la materia de los quarks. Estas propiedades son clave para entender los límites de la estabilidad y la vinculación de núcleos ricos en neutrones y el enfriamiento de las estrellas de neutrones.

También se pueden estudiar análogos de estados nucleares y plasma quark-gluón con átomos fríos. Ejemplos sencillos son la unión de fermiones atómicos en tres estados distintos (hiperfinos), tal como el Litio-6, de forma análoga a los quarks de tres colores de quarks, en moléculas de tres átomos, los análogos de nucleones, o la unión de bosones atómicos con fermiones atómicos en moléculas. También se pueden aprovechar las similitudes de la interacción de los tensores entre nucleones a la interacción magnética entre átomos con grandes momentos magnéticos dipolares, por ejemplo, el disprosio, para que los análogos de los estados de priones condensados propuestos en las densas estrellas de neutrones. La interacción fuerte de plasma atómico ultrafuerte también presenta oportunidades inusuales para estudiar la dinámica de la interacción fuerte de plasma quark-gluón. Otros ejemplos incluyen la formación y la interacción de los vórtices y las posibles fases superfluidas exóticas de la materia. Futuros experimentos con trampas ópticas permitirán estudiar las propiedades de la materia no homogénea que existe en la corteza de las estrellas de neutrones. Y, la interacción fuerte de las nubes de átomos con diferentes densidades de spines up y down, como puede ser diseñado en las trampas ópticas, compartir algunas características comunes con la interacción fuerte de materia quark con diferentes densidades de quarks extraños, up¸y down. En ambos contextos, los huecos de emparejamiento superfñuidos que son modulados en el espacio en un patrón periódico que lo puede desarrollar, produciendo una fase de materia superfluida y cristalina, indicios que pueden observarse en los experimentos recientes de átomos fríos.

Referencias.

The Quark-Gluon Plasma. A Short Introduction
Helmut Satz.

Physics of the quark-gluon plasma
Markus H. Thoma

Quark-Gluon Plasma. Theorical Foundations.
J. Kapusta, B. Müller, J. Rafelski

Hunting the Quark Gluon Plasma
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FIRST – Quantum Information Processing Report WebSite

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