Pocos instantes después del Big Bang, el universo era un mar de partículas subatómicas libres en un estado conocido como plasma quark-gluones (QGP, por sus siglas en inglés). Este plasma desapareció casi tan rápido como se formó, al enfriarse el cosmos y comenzar a consolidarse protones y neutrones. Sin embargo, los físicos han logrado recrear este estado en aceleradores de partículas, brindando una mirada única a los primeros momentos de nuestro universo.
En un estudio reciente, el experimento PHENIX en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presentó evidencia directa de que colisiones pequeñas, como las de deuterones con iones de oro, pueden generar gotas diminutas de este plasma primordial. Los hallazgos no solo confirman la existencia de QGP en sistemas reducidos, sino que también permiten entender cómo las partículas pierden energía al interactuar con este medio único.
El plasma quark-gluones: una ventana al pasado
El QGP es un estado exótico de la materia donde los quarks y gluones, normalmente confinados en protones y neutrones, se liberan y fluyen libremente. Este fenómeno ocurre únicamente a temperaturas y densidades extremas, similares a las que se lograron justo después del Big Bang.
En experimentos previos con sistemas grandes, como las colisiones entre núcleos de oro, los indicios de QGP eran claros: patrones de flujo hidrodinámico y pérdida de energía en los jets de partículas. Pero en colisiones más pequeñas, los efectos son más difíciles de interpretar debido a la complejidad de los procesos involucrados.
Un desafío adicional es separar las señales del QGP de los efectos iniciales de la colisión. Según los autores del estudio, superar esta limitación es esencial para confirmar la presencia de este plasma en sistemas pequeños y entender mejor su formación y propiedades.
Propiedades únicas del QGP
El plasma quark-gluones no es simplemente un gas de partículas libres. A pesar de las condiciones extremas en las que se forma, los quarks y gluones interactúan intensamente entre sí, lo que da lugar a un comportamiento más similar al de un líquido perfecto que al de un gas. Esto se debe a la fuerte interacción entre las partículas, mediada por la fuerza nuclear fuerte, que es mucho más intensa que las interacciones electromagnéticas.
Una propiedad clave es su baja viscosidad en relación con su densidad de energía, lo que lo convierte en uno de los fluidos más perfectos observados en la naturaleza. Esta característica ha sido confirmada en experimentos realizados en el RHIC (Acelerador Relativista de Iones Pesados) y el LHC (Gran Colisionador de Hadrones). Por otra parte, las temperaturas necesarias para su formación alcanzan los 175 MeV (más de 1.66 × 10¹² K), superando ampliamente las de cualquier otro estado de la materia conocido.
Relación con el Big Bang y su estudio actual
El interés en el QGP no solo radica en su singularidad como estado de la materia, sino también en su papel en la historia del universo. Según las teorías cosmológicas, el universo temprano estaba dominado por este plasma durante los primeros microsegundos tras el Big Bang, antes de que los quarks y gluones se combinaran para formar protones y neutrones. Esto hace que el QGP sea esencial para entender la transición hacia la materia que compone el universo actual.
Los avances tecnológicos en aceleradores de partículas como el RHIC y el LHC han permitido estudiar este estado con un nivel de detalle sin precedentes. Estos experimentos no solo recrean las condiciones del universo temprano, sino que también validan teorías fundamentales de la física de partículas, como la cromodinámica cuántica (QCD), que describe las interacciones entre quarks y gluones.
Innovaciones técnicas: fotones directos como herramienta clave
Para abordar estos retos, los científicos implementaron un enfoque basado en fotones directos. Estas partículas de luz se generan junto con quarks y gluones en las colisiones, pero, a diferencia de ellos, no interactúan con el QGP. Este comportamiento permite a los investigadores medir con precisión la centralidad de las colisiones y ajustar los cálculos necesarios para analizar los resultados.
Con esta metodología, los científicos pudieron corregir anomalías observadas en colisiones periféricas, donde parecía haber un aumento inexplicable de partículas energéticas. Al usar los fotones directos como referencia, los datos mostraron que la supresión de partículas energéticas ocurre únicamente en las colisiones más centrales, donde el QGP es más probable. Esto confirma la presencia de un fenómeno de “jets atrapados” en el plasma.
Jets atrapados: la huella del QGP
Uno de los indicadores más reveladores de la presencia de QGP es el fenómeno conocido como “jet quenching“. Cuando un quark o gluón es expulsado en una colisión, genera un jet de partículas que puede detectarse. Sin embargo, en presencia de QGP, estos jets pierden energía al interactuar con los quarks y gluones libres en el plasma.
En las colisiones más centrales deuterón-oro, los jets detectados llegaban con solo una fracción de su energía inicial. Este fenómeno, observado previamente en sistemas grandes, ahora se confirma en sistemas pequeños, reforzando la hipótesis de que el QGP puede formarse incluso en estas condiciones limitadas.
Este hallazgo también resuelve un misterio previo. En colisiones periféricas, los cálculos iniciales sugerían un aumento de partículas energéticas, pero al usar fotones directos, los investigadores demostraron que esta aparente anomalía era un artefacto del modelo original.
Implicaciones futuras
El descubrimiento de QGP en sistemas pequeños plantea nuevas preguntas. ¿Cuán pequeñas pueden ser estas gotas de plasma? ¿Hasta qué punto son dependientes de las condiciones iniciales? Estas cuestiones abren la puerta a investigaciones más profundas sobre las propiedades fundamentales de la materia.
El equipo del experimento PHENIX planea aplicar esta técnica a otros sistemas, como colisiones de protones con oro y helio-3 con oro, para confirmar si los resultados son consistentes en diferentes configuraciones. Según los investigadores, esta metodología, que evita depender de modelos teóricos complejos, proporciona una manera precisa y robusta de estudiar las propiedades del plasma quark-gluón incluso en sistemas pequeños. Estos experimentos continuarán ampliando nuestra comprensión de los procesos fundamentales que dieron forma al universo temprano.
Referencias
- N.J. Abdulameer et al., Disentangling centrality bias and final-state effects in the production of high-pT neutral pions using direct photons in d+Au collisions at √sNN = 200 GeV, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.456789.
Cortesía de Muy Interesante
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