En los primeros instantes del universo, se formó una sopa caliente de quarks y gluones a temperaturas que alcanzaban el billón de grados. Estos elementos fundamentales se movían a la velocidad de la luz, creando lo que se conoce como plasma de quarks y gluones, un estado efímero que duró solo unos pocos millonésimos de segundo. A medida que el plasma se enfrió rápidamente, los quarks y gluones se unieron para formar protones, neutrones y otras partículas esenciales que constituyen la materia actual.
Investigadores del CERN, en Suiza, están recreando este plasma para profundizar en los ingredientes iniciales del universo. Al colisionar iones pesados a velocidades cercanas a la luz, logran deshacer temporalmente los quarks y gluones, permitiendo estudiar el mismo material que existió durante los primeros microsegundos del cosmos.
Nuevos hallazgos sobre el plasma primordial
Un equipo liderado por físicos del MIT ha hecho un descubrimiento significativo: han observado claramente cómo los quarks generan estelas al atravesar el plasma. Este fenómeno es comparable a las ondas que deja un pato al moverse por el agua. Los resultados representan la primera evidencia directa de que el plasma de quarks y gluones reacciona como un fluido cohesivo ante partículas veloces, en lugar de dispersarse aleatoriamente.
“Ha sido un debate prolongado en nuestro campo sobre si el plasma debería responder a un quark”, señala Yen-Jie Lee, profesor de física en MIT. “Ahora podemos observar que el plasma es increíblemente denso, capaz de desacelerar un quark y generar salpicaduras y remolinos como lo haría un líquido. Así que realmente podemos considerar al plasma de quarks y gluones como una sopa primordial.”
Metodología innovadora
Para detectar los efectos de las estelas dejadas por los quarks, Lee y su equipo desarrollaron una nueva técnica que describen en su estudio. Planean aplicar este enfoque a más datos sobre colisiones de partículas para identificar otras estelas generadas por quarks. Medir el tamaño, velocidad y duración de estas estelas proporcionará información valiosa sobre las propiedades del plasma y su comportamiento en los primeros momentos del universo.
“Estudiar cómo las estelas de quarks oscilan nos ofrecerá nuevas perspectivas sobre las características del plasma de quarks y gluones”, añade Lee. “Con este experimento, estamos capturando una instantánea de esta sopa primordial.”
Colaboración internacional
Los coautores del estudio son miembros de la CMS Collaboration, un grupo internacional de físicos dedicados a llevar a cabo experimentos y analizar datos desde el detector Compact Muon Solenoid (CMS) en el CERN. Esta colaboración fue fundamental para detectar los efectos de las estelas en este estudio. El trabajo ha sido publicado en la revista Physics Letters B.
Sopa primordial extrema
El plasma de quarks y gluones es considerado el primer líquido existente en el universo, además del más caliente jamás registrado; se estima que alcanzó varios trillones de grados Celsius durante su breve existencia. Este caldo hirviente también se cree que fue un líquido casi “perfecto”, donde los quarks y gluones fluían juntos como un fluido suave y sin fricción.
Búsqueda de pares cuánticos
Científicos han buscado estos efectos en experimentos realizados tanto en el Gran Colisionador de Hadrones como en otros aceleradores de partículas. Estas investigaciones generan iones pesados como plomo a velocidades cercanas a la luz para crear breves gotas del plasma primordial, generalmente durando menos que una cuatrillonésima parte de segundo.
Para identificar las estelas dejadas por los quarks, se han buscado pares compuestos por quarks y “antiquarks”. Sin embargo, cuando dos quarks viajan en direcciones opuestas, uno puede ocultar la estela del otro. “Nos dimos cuenta que sería más fácil observar la estela del primer quark si no había otro interferente”, explica Lee.
Técnica innovadora para rastrear estelas
En lugar de buscar pares tradicionales tras colisiones entre iones pesados, el equipo dirigido por Lee optó por eventos donde solo había un quark moviéndose junto con un “bosón Z”. Este bosón es una partícula elemental neutra cuya interacción con su entorno es prácticamente nula, lo cual facilita su detección debido a su energía específica.
“En esta sopa de plasma hay numerosos quarks y gluones interactuando entre sí”, comenta Lee. “A veces tenemos suerte y una colisión genera simultáneamente un bosón Z y un quark con alta energía.” En estas interacciones, mientras el bosón no afecta al plasma circundante, cualquier onda observada provendría exclusivamente del movimiento del único quark presente.
Evidencia contundente
A través del análisis realizado junto con investigadores de la Universidad Vanderbilt, identificaron alrededor de 2,000 eventos producidos por bosones Z entre 13 mil millones de colisiones analizadas. En cada caso, mapearon las energías dentro del efímero plasma e identificaron patrones fluidos consistentes con efectos derivados únicamente del movimiento individual de los quarks.
Los resultados obtenidos respaldan las predicciones realizadas por Rajagopal respecto al modelo híbrido; efectivamente, el plasma fluye y presenta ondulaciones cuando partículas rápidas lo atraviesan. “Este hallazgo proporciona evidencia clara sobre algo que muchos hemos argumentado durante años”, concluye Rajagopal.
Lee añade: “Hemos obtenido la primera prueba directa de que un quark arrastra más plasma consigo mientras viaja. Esto nos permitirá estudiar las propiedades y comportamientos de este fluido exótico con detalles sin precedentes.” La investigación contó con apoyo parcial del Departamento de Energía estadounidense.
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