Físicos descubren que la “sopa primordial” del Big Bang se comportaba más como un océano que como un gas de partículas
CIENCIAS EXACTAS: FÍSICA.
Un experimento del CERN analiza cómo responden las partículas más fundamentales cuando se recrean condiciones similares a las del universo primitivo.
Los datos revelan un comportamiento inesperado en la materia más antigua del cosmos.
Fuente: ChatGPT.
En los primeros instantes tras el nacimiento del universo, la materia no se parecía en nada a lo que hoy se observa en estrellas, planetas o galaxias. Antes de que existieran protones, neutrones o átomos, el cosmos estaba dominado por un estado extremadamente caliente y denso formado por partículas elementales que se movían a velocidades cercanas a la de la luz. Comprender cómo se comportaba esa materia primitiva es uno de los grandes retos de la física moderna, porque ofrece pistas sobre las condiciones que gobernaron el origen del universo.
Un nuevo estudio realizado con datos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN ha permitido explorar ese estado temprano de la materia recreándolo brevemente en el laboratorio. La investigación, llevada a cabo por la colaboración CMS y publicada en la revista Physics Letters B, analiza con detalle cómo interactúan partículas de alta energía con el llamado plasma de quarks y gluones. Los resultados aportan una nueva forma de observar cómo responde este medio extremo cuando una partícula lo atraviesa.
Recrear en el laboratorio la materia del universo primitivo.
La teoría que describe las interacciones de quarks y gluones, conocida como cromodinámica cuántica, predice que a temperaturas extremadamente altas estas partículas dejan de estar confinadas dentro de protones y neutrones. En esas condiciones surge un estado de materia llamado plasma de quarks y gluones, en el que los componentes fundamentales de los nucleones se mueven libremente en un medio extremadamente denso y caliente. Este plasma habría dominado el universo durante sus primeros microsegundos.
Los aceleradores de partículas permiten recrear durante un instante ese entorno. En el Gran Colisionador de Hadrones, núcleos pesados —como los de plomo— se aceleran hasta velocidades cercanas a la de la luz y se hacen colisionar entre sí. En el momento del impacto se libera una enorme cantidad de energía que genera una pequeña gota de plasma de quarks y gluones, cuya existencia dura apenas una fracción minúscula de segundo.
Durante ese breve instante, los detectores registran miles de partículas producidas en la colisión. Analizar sus trayectorias y energías permite reconstruir indirectamente las propiedades del plasma. Según explica el estudio, estas colisiones permiten investigar cómo interactúan partículas de alta energía con el medio creado en el experimento, lo que ayuda a comprender la dinámica del plasma primordial.
Distribución angular de partículas generadas en colisiones del LHC, comparando colisiones de protones con colisiones de iones pesados donde se forma plasma de quarks y gluones. Fuente: Physics Letters B
Una nueva forma de observar el comportamiento del plasma.
El trabajo se centra en analizar eventos en los que se produce un bosón Z, una partícula elemental que pertenece a la familia de las interacciones débiles. A diferencia de otras partículas generadas en las colisiones, el bosón Z apenas interactúa con el plasma de quarks y gluones. Esto lo convierte en una especie de referencia experimental para estudiar lo que ocurre en el entorno que lo rodea.
Cuando aparece un bosón Z en una colisión, suele generarse al mismo tiempo un partón —un quark o gluón de alta energía— que se desplaza en dirección opuesta. Ese partón sí interactúa intensamente con el plasma y pierde energía a medida que lo atraviesa. Los físicos aprovechan esta situación para estudiar cómo responde el medio a ese paso.
El análisis se basa en medir las correlaciones entre el bosón Z y las partículas cargadas producidas en la colisión. Al comparar estos datos con colisiones de protones ordinarias, donde no se forma plasma, los investigadores pueden identificar señales específicas del efecto del medio. Tal como explica el propio artículo científico, el objetivo es examinar cómo el medio de plasma de quarks y gluones afecta al partón que retrocede en dirección opuesta al bosón Z.
Las huellas que deja una partícula al atravesar el plasma.
El análisis detallado de los datos revela un patrón característico en la distribución de las partículas producidas. En determinadas condiciones aparece una disminución de partículas en la dirección del bosón Z y un exceso en la región opuesta, un comportamiento que los modelos teóricos asocian a la respuesta del plasma frente al paso del partón.
Según describe el estudio, un mínimo en la distribución de partículas cerca de la dirección del bosón Z indica la presencia de una estela negativa del medio. En el artículo se explica que “una depresión en Δφ cerca de 0 indica la presencia de una estela negativa del medio o ‘huecos’ en el medio”.
Este fenómeno se interpreta como la señal de que el partón arrastra y redistribuye energía dentro del plasma a medida que lo atraviesa. La interacción provoca que el medio reaccione colectivamente, generando regiones donde la densidad de partículas disminuye y otras donde aumenta. Estas modificaciones quedan registradas en la distribución angular de las partículas detectadas.
Comparación entre los datos del experimento y distintos modelos teóricos que describen cómo las partículas pierden energía al atravesar el plasma de quarks y gluones. Fuente: Physics Letters B
Los resultados muestran que estas señales aparecen con mayor claridad en las colisiones más centrales, donde el plasma creado es más denso. Además, los efectos se observan especialmente en partículas con energías relativamente bajas, lo que coincide con las predicciones de varios modelos teóricos que describen cómo se redistribuye la energía en el plasma.
Una evidencia directa de la respuesta del medio.
El estudio concluye que las diferencias observadas entre colisiones de iones pesados y colisiones de protones proporcionan una señal clara de la interacción entre el partón y el plasma. En palabras del propio artículo, “las diferencias entre los datos de PbPb y pp proporcionan la primera evidencia de efectos de retroceso del medio y de ‘huecos’ en el medio causados por una sonda dura”.
Este resultado tiene una implicación importante para la física de altas energías. Confirma que el plasma de quarks y gluones no se comporta simplemente como una nube de partículas independientes, sino como un sistema que responde colectivamente a perturbaciones. Comprender esta respuesta es esencial para determinar propiedades fundamentales del plasma, como su viscosidad o su forma de transportar energía.
Los investigadores también compararon sus datos con diferentes modelos teóricos que describen la pérdida de energía de las partículas en el plasma. Aquellos modelos que incluyen explícitamente la respuesta del medio reproducen mejor las observaciones experimentales. Esto refuerza la idea de que los efectos colectivos desempeñan un papel central en la dinámica del plasma.
Aunque el resultado constituye una evidencia sólida, los propios autores señalan que serán necesarias mediciones con mayor precisión estadística para discriminar entre los distintos modelos. Aun así, el trabajo abre una nueva vía para estudiar las propiedades del plasma de quarks y gluones, una de las formas de materia más extremas conocidas.
Por: Eugenio M. Fernández Aguilar. Físico, escritor y divulgador científico.
Sitio Fuente: MuyInteresante