A holographic study of the quark-gluon plasma

Resumen

La cromodinámica cuántica (QCD por sus siglas en inglés) es la teoría que describe la interacción entre quarks y gluones, que son las particulas fundamentales de las que se componen los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos de la materia que observamos. Los quarks y gluones no pueden encontrarse aislados a no ser que se inyecte una gran cantidad de energía en el sistema; sin embargo, se puede introducir esta energía experimentalmente acelerando núcleos atómicos pesados (como el oro o el plomo) a velocidades próximas a la de la luz y haciendo chocar posteriormente estos núcleos. De este modo se forma un nuevo estado de la materia, el plasma de quarks y gluones (QGP), consistente en un plasma a alta temperatura formado por las partículas fundamentales de QCD. Este plasma está regido por QCD con una constante de acoplamiento fuerte, lo que invalida los procedimientos habituales para llevar a cabo un estudio teórico del mismo, en concreto la teoría de perturbaciones. Se puede intentar comprender el plasma a través de simulaciones computacionales en "lattice QCD", sin embargo se pierde la analiticidad del sistema y aparecen problemas a la hora de incluír los efectos de los quarks en el plasma o la asimetría entre la presencia de materia y antimateria en el mismo (es decir, la presencia de un potencial químico bariónico no nulo). En esta tesis nos centraremos en el estudio de plasmas formados por materia que transforma en la representación adjunta del campo gauge (como los gluones en QCD) y materia que transforma en la representación fundamental (como los quarks). Para ello emplearemos la conjetura AdS/CFT. Esta conjetura, en su enunciado más débil, establece una correspondencia entre teorías cuánticas de campos gauge a constante de acoplamiento fuerte con una teoría clásica de gravedad en una variedad con un mayor número de dimensiones que la teoría gauge dual, y con constante cosmológica negativa. Esto quiere decir que podemos modelar plasmas termales (exigiendo periodicidad en el tiempo euclídeo de la variedad en la que se trabaja) en presencia de un potencial bariónico (considerando un campo gauge U(1) con dominio en dicha variedad) simplemente resolviendo teorías de gravedad clásica con unos campos concretos presentes. El objetivo de la tesis es dar una descripción cualitativa de la fenomenología observada para el QGP mediante el estudio de las signaturas del plasma. Aún cuando la teoría dual a QCD no se conoce, es posible extraer alguna lección, ya que algunos de los resultados obtenidos son muy robustos, es decir, bastante independientes del modelo considerado. El método empleado para construir el modelo se basa en un enfoque "de arriba a abajo", lo que quiere decir que el modelo se puede derivar de una teoría mayor, en este caso la teoría de cuerdas. En esta teoría aparecen de forma natural objetos extendidos en varias dimensiones con el nombre de D-branas. En la tesis yo me centro en la intersección entre un conjunto (muy numeroso) de D3-branas y un conjunto de D7-branas. En concreto se estudiarán dos límites, uno en el que el número de D7-branas es mucho menor que el número de D3-branas y otro en el que las cantidades de estos dos tipos de objetos son similares. En el primer caso las D7-branas se pueden tratar como sondas moviéndose en el fondo creado por las D3-branas. De este modo es posible extraer signaturas experimentales del plasma estudiado para compararlas con los valores observadas en el experimento. Sin embargo, este límite implica que, físicamente, no estamos considerando las contribuciones cuánticas de los quarks al plasma. Para ello consideramos el segundo límite, en el que el número de D7-branas es similar al número de D3-branas. Así podemos incluír de forma sistemática los efectos cuánticos de la materia fundamental y estudiar sus contribuciones a la termodinámica, la hidrodinámica y los mecanismos de pérdida de energía, a costa de una mayor complicación en el tratamiento.