Cuando nació el universo, el espacio era demasiado caliente y denso para que existieran átomos. Incluso los constituyentes de los átomos (los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos) no pudieron fusionarse inmediatamente. En cambio, el cosmos recién nacido se llenó de bloques de construcción aún más pequeños y fundamentales, quarks y gluones, que formaron una sopa que fluía suavemente llamada plasma de quarks-gluones.
Sin embargo, pronto el universo se expandió y enfrió la sopa. Los gluones unieron quarks para formar protones y neutrones, que flotaban como gas en lugar de plasma. El cambio marcó una transición de fase, del mismo modo que el agua puede pasar de vapor a líquido y a hielo sólido. Pero los detalles clave de esta profunda transición primordial, como su umbral de energía y densidad, siguen siendo profundamente misteriosos.
Eso empezó a cambiar alrededor del cambio de milenio, cuando los físicos empezaron a estrellar iones de oro a casi la velocidad de la luz dentro del gigantesco acelerador de partículas del Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island, en el estado de Nueva York. Esos choques fueron tan poderosos que recrearon brevemente el plasma de quarks y gluones del Big Bang. Ahora los investigadores que analizan los datos de esas colisiones han visto una señal inesperada que ofrece nuevas pistas sobre cómo ocurrió la transición cósmica hace eones.
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La señal proviene de un experimento llamado Solenoid Tracker en RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), o STAR. Después de que los iones de oro se aniquilaran en las colisiones y produjeran nuevos trozos de materia, STAR rastreó los caminos de esos escombros. Una medición que realizó comparó los cambios de impulso de las partículas con una línea de base, en particular, el llamado impulso transversal, el impulso perpendicular a la dirección en la que habían estado viajando los iones de oro. Los datos de STAR mostraron una caída sorprendente en las fluctuaciones de este valor (es decir, una transición de fase potencial) en una energía que representa algunos de los estados más densos que los físicos hayan logrado jamás en sus estudios de la materia nuclear. Los hallazgos fueron reportados en un artículo publicado recientemente en Physical Review Letters.
“Esta medición es una posible señal de que sí, aquí existe una transición de fase”, dice Rutik Manikandhan de la Universidad de Houston, miembro del equipo STAR y coautor del nuevo análisis. “Insinúa la existencia de un punto crítico”.
Si los científicos descubren un punto crítico (un cambio en cómo ocurre la transición de fase a diferentes temperaturas y densidades), comprenderán mejor cómo evolucionó el universo justo después de su nacimiento. También podrían aprender qué sucede con la materia en sus densidades más altas, como dentro de las estrellas de neutrones, donde la masa de una estrella entera está comprimida en un espacio del ancho de una ciudad.
“Estamos intentando sondear las diferentes fases de la materia”, afirma Manikandhan. “No entendemos completamente qué fase de la materia se encuentra dentro de las estrellas de neutrones. Podemos aprender cosas como ‘¿Cuál sería la velocidad del sonido dentro del núcleo de las estrellas de neutrones?'” Responder a esa pregunta permitiría a los astrofísicos abordar otros misterios, como el umbral preciso en el que una estrella de neutrones colapsará para formar un agujero negro.
Pero descubrir qué significa la señal vista por STAR no es fácil. “Los datos actuales representan una pista intrigante, pero son insuficientes para identificar el origen del fenómeno”, dice Berndt Mueller, físico de la Universidad de Duke, que no participó en el experimento. “El problema es que esto es sólo algo observable y es insuficiente para aislar una explicación”.
Por ejemplo, en lugar de un punto crítico, la caída en las fluctuaciones del momento vislumbradas en los datos de STAR podría simplemente reflejar el hecho de que a medida que cambia la energía de las colisiones de iones de oro, también cambian los tipos de partículas que se crean. A energías más altas, hay más mesones (pares de quarks y sus contrapartes de antimateria, antiquarks). Pero a energías más bajas, se forman más protones y neutrones. “Para hacer una afirmación fundamentada sobre el punto final crítico de la QCD, es importante descartar tales efectos ‘triviales’, o al menos estimar su magnitud con respecto a cualquier señal desde un punto crítico”, dice Jan Steinheimer, físico del Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania, que estudió esta explicación alternativa.
Los investigadores planean analizar más datos de STAR para desentrañar aún más el misterio. RHIC funcionó durante 25 años y cerró a principios de 2026. Sin embargo, la máquina recopiló una gran cantidad de datos que los científicos aún no han podido estudiar. “Todavía nos quedan muchos datos STAR por analizar”, dice Manikandhan.
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