El acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, ha brindado a los científicos su mejor visión hasta ahora del plasma de quarks y gluones, la materia primordial que llenó el universo momentos después del Big Bang.
Durante las primeras fracciones de segundo de existencia del universo, el cosmos estuvo lleno de una sopa primordial caliente y densa llamada plasma de quarks-gluones. En el acelerador de partículas circular de casi 17 millas de largo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que se encuentra muy por debajo de los Alpes franceses, los científicos del CERN recrearon el plasma de quarks y gluones rompiendo núcleos atómicos de hierro a una velocidad cercana a la de la luz. El proyecto se llama ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
El equipo de ALICE obtuvo nueva información sobre el plasma de quarks y gluones (y, por tanto, las condiciones en el universo primitivo) cuando detectaron un patrón común a las colisiones entre protones (las partículas que se encuentran en el corazón de los átomos), colisiones entre protones y núcleos de plomo, y colisiones entre los propios núcleos de plomo. Este patrón podría revelar cómo se formó el plasma de quarks y gluones justo después del Big Bang, lo que indica que podría ser forjado por colisiones de partículas más pequeñas de lo que se pensaba anteriormente.
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Cuando los científicos comenzaron a romper protones en el LHC, se teorizó que las colisiones entre protones, así como entre protones y plomo, serían demasiado pequeñas para generar plasma de quarks y gluones. Sin embargo, recientemente se han observado signos tentadores de esta materia primordial en estas pequeñas colisiones, así como en las colisiones entre núcleos de plomo.
Una de las características del plasma de quarks y gluones y su formación es el hecho de que las partículas no se emiten de manera uniforme, sino en una dirección preferida, lo que los científicos llaman flujo anisotrópico. A velocidades intermedias, el flujo anisotrópico de partículas depende del número de quarks que las componen. Los bariones, partículas compuestas de tres quarks, exhiben un flujo más fuerte que los mesones, que son partículas compuestas de dos quarks.
Los científicos teorizan que esto está relacionado con el proceso que reúne a los quarks para formar partículas más grandes. Los bariones tienen más quarks y, por tanto, ganan mayor flujo.
En una nueva investigación, la Colaboración ALICE explicó cómo midieron el flujo anisotrópico de diferentes mesones y bariones creados por colisiones protón-protón y protón-plomo. Al aislar partículas que fluyen juntas, el equipo confirmó que, tal como ocurre en las colisiones fuertes, estas colisiones más ligeras dan lugar a bariones con un flujo más fuerte y mesones con un flujo más débil a velocidades intermedias.
“Esta es la primera vez que hemos observado, durante un gran intervalo de impulso y para múltiples especies, este patrón de flujo en un subconjunto de colisiones de protones en las que se produce una cantidad inusualmente grande de partículas”, dijo en un comunicado David Dobrigkeit Chinellato, coordinador de física del experimento ALICE. “Nuestros resultados apoyan la hipótesis de que un sistema de quarks en expansión está presente incluso cuando el tamaño del sistema de colisión es pequeño”.
El equipo de ALICE comparó las observaciones de flujo que hicieron con modelos de formación de plasma de quarks y gluones, y encontró que el patrón de flujo se ajusta estrechamente a los modelos que explican la formación de bariones y mesones. Sin embargo, los modelos que no tienen en cuenta esta coalescencia de quarks no lograron replicar el patrón de flujo observado.
Los investigadores también encontraron que incluso los modelos que mejor se ajustaban no podían explicar completamente el flujo observado. Todavía quedan algunas discrepancias persistentes, arrugas que el equipo cree que otras colisiones entre partículas con tamaños entre protones y hierro podrían ayudar a solucionar.
“Esperamos que, con las colisiones de oxígeno que se registraron en 2025, que cierran la brecha entre las colisiones de protones y las de plomo, obtengamos nuevos conocimientos sobre la naturaleza y la evolución del plasma de quarks y gluones en diferentes sistemas de colisión”, dijo en el comunicado el portavoz de ALICE, Kai Schweda.
Entonces, los científicos se acercarán aún más a la comprensión de las condiciones encontradas en los albores del universo.
El 20 de marzo se publicó un artículo sobre esta investigación en la revista Nature Communications.