Inmediatamente después del Big Bang, el universo existía como un fluido ultracaliente y ultradenso formado por quarks y gluones, los componentes más básicos de la materia. Conocido como plasma de quarks-gluones, puede imaginarse como la sopa original del universo, un caldo caótico donde las partículas se movían libremente antes de asentarse en la materia familiar que conocemos hoy.
Ese estado de la materia sobrevivió sólo durante los primeros microsegundos del universo. Al recrearla en colisiones de partículas, los físicos pueden estudiar directamente cómo se comportó la materia al comienzo de la historia cósmica. En un nuevo experimento publicado en Physics Letters B, los investigadores rastrearon lo que sucedió cuando un solo quark atravesó este plasma recreado. En lugar de pasar desapercibido, el quark dejó una estela mensurable, ofreciendo la evidencia más clara hasta ahora de que el plasma de quarks-gluones fluye y responde como un líquido.
“El plasma de quarks y gluones es realmente una sopa primordial”, afirmó Yen-Jie Lee, profesor de física en el MIT, en un comunicado de prensa.
Leer más: El universo comenzó como una “sopa caliente de partículas y fotones” hace 13,8 mil millones de años
Recreación del plasma de quarks-gluones en el CERN
El plasma de quarks y gluones ya no existe de forma natural, pero los físicos pueden recrearlo brevemente utilizando aceleradores de partículas. En la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), los científicos utilizan el Gran Colisionador de Hadrones para estrellar núcleos atómicos pesados a casi la velocidad de la luz. Por un instante, estas colisiones funden la materia ordinaria en una pequeña gota que se asemeja a la sustancia más antigua del universo.
Aunque estas gotas duran sólo una fracción de segundo, son lo suficientemente calientes y densas como para revelar cómo se comporta la materia en condiciones extremas. Durante las últimas dos décadas, los experimentos han demostrado que este material del universo temprano no actúa como una colección suelta de partículas. Más bien, se mueve como un todo conectado.
Esa comprensión sugirió que el plasma de quarks y gluones se comporta más como un líquido que como un gas, pero también planteó una pregunta central. Si esta materia primordial realmente fluye, ¿cómo responde cuando una sola partícula la atraviesa?
Encontrar una manera de ver un solo quark
Responder a esa pregunta ha sido difícil porque las colisiones de partículas son caóticas. Los quarks suelen producirse en pares que vuelan en direcciones opuestas y sus efectos superpuestos desdibujan la respuesta del plasma.
Para superar esto, los investigadores del MIT y sus colaboradores se centraron en colisiones raras que también producen un bosón Z, una partícula que pasa a través del plasma de quarks y gluones sin interactuar notablemente con él.
Cuando un quark y un bosón Z se crean juntos, viajan en direcciones opuestas. El bosón Z actúa como un marcador limpio, revelando la trayectoria del quark sin alterar el plasma circundante. Por lo tanto, cualquier perturbación observada en el lado opuesto puede atribuirse únicamente al quark.
Utilizando datos del experimento CMS, uno de los principales detectores de partículas del Gran Colisionador de Hadrones, el equipo identificó alrededor de 2.000 eventos que se ajustan a este patrón.
Un despertar en la sopa primordial
Esos acontecimientos revelaron una señal constante. Cuando un quark atravesaba el plasma, dejaba tras de sí una perturbación similar a la estela formada por un objeto que se mueve a través del agua. En lugar de dispersarse al azar, la materia circundante se movió y fluyó en respuesta.
Esto proporciona la evidencia más clara hasta ahora de que el plasma de quarks y gluones reacciona a las partículas en movimiento como un verdadero fluido. El plasma no absorbió simplemente la energía del quark. Retrocedió, redistribuyendo esa energía de una manera organizada que coincide con predicciones teóricas de larga data.
Dado que el tamaño y la forma de estas estelas dependen de las propiedades internas del plasma, la técnica ofrece una nueva forma de estudiar este material.
“Hemos obtenido la primera evidencia directa de que el quark efectivamente arrastra más plasma consigo a medida que viaja”, dijo Lee. “Esto nos permitirá estudiar las propiedades y el comportamiento de este fluido exótico con un detalle sin precedentes”.
Leer más: Una galaxia muerta del universo primitivo sucumbió al hambre debido a su propio agujero negro
Fuentes del artículo
Nuestros redactores en Discovermagazine.com utilizan estudios revisados por pares y fuentes de alta calidad para nuestros artículos, y nuestros editores revisan la precisión científica y los estándares editoriales. Revise las fuentes utilizadas a continuación para este artículo: