Científicos recrean materia del Big Bang al chocar núcleos de oxígeno a gran velocidad

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven logró recrear un estado primordial de la materia que existió en los primeros momentos del universo al chocar núcleos de oxígeno a velocidades cercanas a la de la luz. Este hallazgo, proveniente del experimento STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), mostró que esta forma exótica de materia, conocida como plasma de quarks y gluones (QGP), puede formarse en colisiones de menor energía de lo que se había demostrado anteriormente, desafiando las fronteras conocidas de la física del universo temprano.

Los resultados, publicados en Physical Review Letters, revelaron que los flujos de partículas de alta energía pierden energía a medida que atraviesan el material generado por estas colisiones. Este fenómeno, denominado jet quenching, proporciona una pista crucial de que el plasma de quarks y gluones se ha formado.

Los científicos habían observado previamente el jet quenching en colisiones de núcleos atómicos mucho más grandes en el RHIC, que operó desde el año 2000 hasta 2026. El mismo efecto también fue detectado en colisiones de oxígeno en el Large Hadron Collider (LHC) de CERN, el laboratorio europeo de física de partículas.

Lo que hace que los nuevos hallazgos del RHIC sean especialmente significativos es que las colisiones de oxígeno ocurrieron a energías sustancialmente más bajas. Los resultados establecieron un nuevo límite inferior para las condiciones conocidas que producen el plasma de quarks y gluones en este pequeño sistema de colisiones, ayudando a los científicos a definir mejor lo que se necesita para crear materia que se asemeje a la del universo infantil.

Según Li Yi, profesora de física en Shandong University, que supervisó el análisis de STAR, "el QGP se cree que es la forma de materia que llenó el universo temprano, antes de que se formaran los protones y neutrones que componen los átomos actuales. Comprender sus propiedades es esencial para descubrir cómo evolucionó el universo temprano en sus primeros microsegundos".

Rongrong Ma, un físico de STAR en el Laboratorio Brookhaven, explicó la importancia de investigar colisiones más pequeñas. "Este análisis está empujando los límites hacia un caso extremo para ayudarnos a aprender algo sobre este fenómeno de jet quenching y las condiciones necesarias para generar un QGP".

El RHIC fue diseñado específicamente para producir e investigar el plasma de quarks y gluones. Tradicionalmente, los investigadores lograron esto acelerando núcleos de oro a velocidades enormes y haciéndolos colisionar entre sí. Cada núcleo de oro contiene 79 protones y 118 neutrones. Cuando dos de estos núcleos colisionan con suficiente energía, los límites de sus protones y neutrones se descomponen, liberando los quarks y gluones que hay en su interior.

El impacto genera una gota efímera de materia primordial, más pequeña que un núcleo atómico y que sobrevive menos de un billonésimo de segundo. Casi de inmediato, los quarks y gluones se recombinan en partículas más familiares. Debido a que esta sustancia exótica desaparece tan rápidamente, los científicos no pueden examinarla directamente, por lo que utilizan instrumentos enormes como el detector STAR para analizar las partículas que emergen de la colisión.

Un indicio revelador proviene de las partículas que escapan con menos energía de la esperada, lo que sugiere que interactuaron con la mezcla densa de quarks y gluones antes de escapar. Los investigadores prestan especial atención a los jets, que son chorros estrechos de partículas extremadamente energéticas. Estos a menudo se originan cuando un quark o gluón de un núcleo golpea a un quark o gluón de otro, enviando dos jets de partículas en direcciones opuestas.

Yi utilizó una comparación familiar para explicar el proceso: "Se puede pensar en ello como disparar una bala a través de, digamos, agua. Debido a la resistencia, la bala se desacelerará. Lo mismo sucede con estas partículas de alta energía. Cuando atraviesan el QGP, perderán energía".