Posgrado
  1. Mecánica clásica  1.1. Cinemática Avanzada  1.1.1. Sistemas de coordenadas generalizados  1.1.2. Ecuaciones paramétricas del movimiento  1.1.3. Marcos no inerciales y fuerzas ficticias  1.1.4. Formulación covariante del momentum  1.1.5. Variable acción-ángulo  1.2. Mecánica lagrangiana y hamiltoniana  1.2.1. Principio de mínima acción  1.2.2. Ecuaciones de Euler-Lagrange  1.2.3. El teorema de Noether y las leyes de conservación  1.2.4. Velocidad Normalizada  1.2.5. Conversión canónica  1.2.6. El corchete de Poisson y la teoría de Hamilton–Jacobi  1.2.7. Caos hamiltoniano e integrabilidad  1.3. Movilidad de cuerpo rígido  1.3.1. Ecuaciones de movimiento de Euler  1.3.2. Momentos principales de inercia  1.3.3. Movimiento giroscópico y precesión  1.3.4. Tensor de inercia  1.3.5. Estabilidad de la velocidad de rotación  1.4. Dinámica no lineal y caos  1.4.1. Análisis de espacio de fases y estabilidad  1.4.2. Secciones de Poincaré y teoría de bifurcaciones  1.4.3. Atractores Extraños y Fractales  1.4.4. Exponente de Lyapunov  1.4.5. Teorema KAM y movimiento cuasiperiódico
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrodinámica Avanzada  2.1.1. Función de Green y teoría del potencial  2.1.2. Expansión multipolar  2.1.3. Método de carga de imagen  2.1.4. Condiciones de contorno y teorema de unicidad  2.2. Propagación de ondas electromagnéticas  2.2.1. Plane waves in dielectrics and conductors  2.2.2. Guías de ondas y resonadores de cavidad  2.2.3. Presión de radiación y pinzas ópticas  2.2.4. Polarización y cálculo de Jones  2.3. Electrodinámica relativista  2.3.1. Formulación covariante de la electrodinámica  2.3.2. Potenciales de Liénard–Wiechert  2.3.3. Radiación sincrotrón y bremsstrahlung  2.3.4. Tensor de campo electromagnético y transformaciones de Lorentz  2.4. Física del plasma  2.4.1. Magnetohidrodinámica  2.4.2. Pantalla de Debye y oscilaciones de plasma  2.4.3. Ondas de Alfvén y confinamiento en tokamak  2.4.4. Inestabilidades y turbulencias de plasma
  3. Mecánica estadística y termodinámica  3.1. Termodinámica Avanzada  3.1.1. Transformadas de Legendre y potenciales termodinámicos  3.1.2. Teorema de fluctuación-disipación  3.1.3. Relaciones interpersonales de Onsager  3.1.4. Eventos críticos y transiciones de fase  3.2. Mecánica estadística cuántica  3.2.1. La matriz densidad y la teoría de ensambles  3.2.2. Condensados de Bose–Einstein  3.2.3. Transición de fase cuántica  3.2.4. Estadísticas de Fermi-Dirac y Bose-Einstein  3.2.5. Funciones de partición y conjuntos canónicos grandes
  4. Quantum mechanics  4.1. Mecánica de ondas avanzada  4.1.1. Aproximación WKB  4.1.2. Formulación de integral de camino  4.1.3. Oscilador armónico cuántico y estados coherentes  4.2. Momento angular y espín  4.2.1. Armónicos Esféricos  4.2.2. Coeficiente de Clebsch–Gordan  4.2.3. Teorema de Wigner–Eckart  4.2.4. Acoplamiento espín-órbita  4.3. Teoría cuántica de dispersión  4.3.1. Aproximación de Born  4.3.2. Análisis de ondas parciales  4.3.3. Teorema Óptico  4.3.4. Teoría de la matriz S  4.4. Teoría cuántica de campos  4.4.1. Segunda Cuantización  4.4.2. Diagramas de Feynman y propagadores  4.4.3. Teoría de la Renormalización  4.4.4. Teoría de gauge y campos de Yang-Mills  4.4.5. Ruptura espontánea de simetría y el mecanismo de Higgs
  5. General relativity and cosmology  5.1. Cálculo tensorial y geometría diferencial  5.1.1. Ecuaciones de campo de Einstein  5.1.2. Métricas de Schwarzschild y Kerr  5.1.3. Geodésicas y símbolos de Christoffel  5.2. Cosmología y el Universo  5.2.1. La métrica FLRW y la inflación cósmica  5.2.2. Energía oscura y formación de estructuras  5.2.3. Radiación cósmica de fondo de microondas
  6. Física de la materia condensada  6.1. Estructura de bandas y teoría de transporte  6.1.1. Teorema de Bloch y el modelo de Kronig–Penney  6.1.2. Topología de la superficie de Fermi  6.1.3. Efecto Hall Cuántico  6.2. Superconductividad  6.2.1. Teoría BCS y pares de Cooper  6.2.2. Efecto Meissner y cuantización del flujo  6.2.3. El Efecto Josephson y los SQUIDs  6.3. Fases topológicas de la materia  6.3.1. Aislantes Topológicos  6.3.2. Fermiones de Majorana en fases topológicas de la materia
  7. Física Nuclear y de Partículas  7.1. Cromodinámica Cuántica (QCD)  7.1.1. Plasma de quarks y gluones  7.1.2. Libertad asintótica  7.1.3. Confinamiento y hadronización  7.2. Más allá del Modelo Estándar  7.2.1. Teorías de la Gran Unificación  7.2.2. Supersimetría y dimensiones extra  7.2.3. Oscilaciones de neutrinos

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Plasma de quarks y gluones


La cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés) es la teoría que describe la interacción fuerte, una fuerza fundamental que describe las interacciones entre quarks y gluones. Los quarks son las partículas fundamentales que se unen para formar protones y neutrones, mientras que los gluones son los portadores de fuerza que median la interacción fuerte que mantiene unidos a los quarks dentro de protones, neutrones y otros hadrones.

Un estado fascinante de la materia relacionado con la QCD es el plasma de quarks y gluones (QGP). El plasma de quarks y gluones es un estado en el que los quarks y gluones, que normalmente están unidos dentro de los hadrones, se mueven libremente en un medio térmico de alta densidad energética y temperatura. Comprender este estado ayuda a los físicos a explorar los primeros momentos del universo después del Big Bang cuando existieron condiciones similares.

Veamos más a fondo el concepto de plasma de quarks y gluones, aprendamos cómo surge, cuál es su significado y qué nos enseña sobre el universo y la materia.

Creación del plasma de quarks y gluones

En condiciones normales, los quarks están confinados dentro de los hadrones debido a una propiedad llamada "confinamiento de color". Sin embargo, a temperaturas y densidades energéticas extremadamente altas, como en colisiones de iones pesados, los quarks y los gluones ya no están confinados y forman un plasma. Esta situación es descrita por la teoría de QCD en la que los grados de libertad de color se vuelven asintóticamente libres, un fenómeno llamado "libertad asintótica".

Para visualizar el plasma de quarks y gluones, considere cómo la materia cambia entre los estados sólido, líquido y gaseoso al aumentar la temperatura:

Sólido → Líquido → Gas → Plasma

En el campo de las partículas:

hadrones → plasma de quarks y gluones

Esta transición al plasma de quarks y gluones implica alcanzar temperaturas superiores a dos billones de Kelvin, lo cual es mucho más alto que cualquier temperatura encontrada en la naturaleza, excepto en el universo temprano.

Creación experimental del plasma de quarks y gluones

El plasma de quarks y gluones se prueba en laboratorios utilizando colisiones de iones pesados. Instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERN en Suiza y el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los Estados Unidos chocan iones pesados, como oro o plomo, a casi la velocidad de la luz para recrear estas condiciones extremas.

Aquí hay una ilustración simplificada de cómo ocurren las colisiones de iones pesados:

  Ion de oro → ← Ion de oro
  _Confrontación_/
     _Creación de plasma de quarks y gluones_/

Cuando ocurren estas colisiones, la energía cinética se convierte en calor, creando una pequeña bola de fuego en la que los quarks y gluones existen independientemente solo por una fracción de segundo, después de lo cual se enfrían y se recomponen en partículas detectables por el colisionador.

Importancia del plasma de quarks y gluones

El estudio del plasma de quarks y gluones proporciona información sobre:

  • Condiciones del universo temprano: Al recrear las condiciones extremas de temperatura y densidad que ocurrieron solo unos microsegundos después del Big Bang, los físicos pueden estudiar las propiedades y evolución del universo temprano.
  • Comprensión de la fuerza fuerte: Estudiar cómo se comportan los quarks y gluones cuando no están confinados en hadrones proporciona a los científicos información sobre la naturaleza de la fuerza fuerte y el confinamiento.
  • Transiciones de fase: Comprender la transición de la materia hadrónica al plasma de quarks y gluones y viceversa aumenta nuestro conocimiento de las transiciones de fase relacionadas con la QCD.

Características del plasma de quarks y gluones

El QGP exhibe varias propiedades únicas:

  • Fluidez perfecta: A pesar de estar compuesto de quarks y gluones libres, el plasma de quarks y gluones se comporta como un fluido casi perfecto, con una viscosidad extremadamente baja.
  • Flujo de masa: El plasma producido exhibe flujo anisotrópico, que forma patrones similares a los observados en la dinámica de fluidos.
  • Apagado de chorros: Las partículas de alta energía producidas en la colisión, llamadas chorros, pierden su energía al pasar a través del QGP, lo que puede observarse como apagado de chorros.

La ecuación que describe la relación entre la presión (P), la densidad de energía ((epsilon)) y la temperatura (T) en el QGP puede expresarse como:

P = c_s^2 times epsilon

donde c_s es la velocidad del sonido en el plasma de quarks y gluones, y (c_s approx 1/sqrt{3}).

Visualizaciones y ejemplos

Aquí hay una ilustración simplificada de cómo se mueven los quarks y gluones dentro del QGP:

  ,
  |Q | |Q' | |G |
   g | g | q' | → movimiento libre
    +--+ +--+ +--+ con gluones
  Quark normal hadrón plasma de quarks y gluones

Los quarks en hadrones están fuertemente ligados a los gluones e intercambian fuerzas. En el QGP, son libres de moverse sin ninguna restricción.

Conclusión

El estudio del plasma de quarks y gluones es un componente crucial de la física moderna y la cosmología. Explorar el QGP ayuda a los científicos a recrear las condiciones del Big Bang y comprender mejor el comportamiento de la materia a las escalas más pequeñas. Con experimentos en curso en colisionadores de todo el mundo, la búsqueda para comprender el QGP continúa, prometiendo mayores conocimientos sobre preguntas profundas sobre el comienzo del universo y las fuerzas que gobiernan las partículas subatómicas.


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