Científicos recrean un pequeño 'Big Bang' usando núcleos atómicos diminutos

Investigadores de la Universidad de Copenhague lograron recrear el estado primordial de la materia que se cree llenó el universo poco después del Big Bang, utilizando colisiones entre núcleos atómicos mucho más pequeños de lo que se pensaba posible. Estas versiones microscópicas del universo primitivo podrían ayudar a entender tanto los primeros momentos de la historia cósmica como algunas de las preguntas más profundas en física nuclear.

En el CERN, Suiza, los físicos intentaron responder a la pregunta de cómo era el universo antes de que existieran estrellas, planetas y átomos. Los investigadores del Instituto Niels Bohr, en colaboración con científicos de la colaboración internacional ALICE, dieron un paso importante hacia ese objetivo.

Recreando la materia primordial del universo

En el CERN, los núcleos atómicos pueden acelerarse a casi la velocidad de la luz y chocar entre sí. Estas colisiones pueden crear pequeñas gotas de plasma de quarks y gluones, el estado extraordinario de la materia que se cree llenó el universo durante su primer millonésimo de segundo.

Hasta ahora, se pensaba que producir este plasma requería colisiones entre núcleos muy pesados, como el plomo. Sin embargo, los nuevos experimentos demostraron que núcleos mucho más pequeños también pueden generar este material primordial. Los investigadores lograron crearlo al colisionar núcleos de oxígeno-16 y neón-20.

"Hemos ampliado el límite de cuán pequeños pueden ser los núcleos atómicos mientras aún recreamos esta materia primordial, lo que podríamos llamar un pequeño Big Bang. Ahora sabemos más sobre las condiciones fundamentales requeridas para que la materia transicione a este estado extremo", comentó el profesor asociado You Zhou, quien lideró el experimento y que hasta hace poco trabajó en el Instituto Niels Bohr.

El profesor Zhou agregó: "Esperamos que esto nos ayude a comprender mejor cómo se comportó el plasma durante los primeros momentos del universo y cómo luego evolucionó hacia las formas de materia que componen todo lo que nos rodea".

Los hallazgos de la investigación, parte del experimento internacional ALICE, fueron publicados recientemente en la prestigiosa revista Physical Review Letters.

Un pequeño Big Bang con una firma de boliche

Cuando los núcleos atómicos colisionan a enormes velocidades, sus componentes pueden transformarse en una gota extremadamente pequeña de plasma de quarks y gluones. Esta gota sobrevive solo una fracción de segundo antes de expandirse y convertirse en otras partículas.

Los científicos no pueden observar el plasma directamente. En cambio, miden las partículas que emergen inmediatamente después y estudian cómo se mueven. Los nuevos resultados muestran que estos patrones de movimiento preservan información sobre la forma original de los núcleos que colisionaron. Las colisiones entre dos núcleos de oxígeno generan un patrón relativamente redondeado, mientras que las colisiones que involucran neón crean un patrón distintivo en forma de boliche.

"Las partículas de la materia primordial están directamente gobernadas por la forma geométrica del núcleo atómico. Si los dos núcleos que chocamos son esféricos, obtenemos un patrón. Si tienen forma de boliche, obtenemos otro. Al estudiar cómo se mueven las partículas después de la colisión, podemos obtener información sobre los núcleos atómicos que de otro modo sería difícil de obtener", explicó el investigador postdoctoral Emil Gorm Dahlbæk Nielsen del Instituto Niels Bohr, coautor del estudio.

El investigador agregó: "Es un poco como iluminar un objeto y ver su sombra. No puedes ver el objeto directamente, pero su sombra revela su forma. De la misma manera, el movimiento de las partículas revela la forma geométrica de los núcleos atómicos que estaban presentes al inicio de la colisión".

Usando colisiones extremas para investigar la estructura nuclear

Los físicos han intentado entender las formas y estructuras internas de los núcleos atómicos durante más de 70 años. Esta pregunta tiene conexiones profundas con el Instituto Niels Bohr, ya que Aage Bohr recibió el Premio Nobel de Física en 1975 por su trabajo sobre la estructura del núcleo atómico.

La forma de un núcleo es importante por mucho más que la geometría. Refleja cómo están dispuestos los protones y neutrones y puede proporcionar información valiosa sobre la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que los científicos aún están tratando de comprender completamente.

Tradicionalmente, los físicos han investigado la estructura nuclear utilizando experimentos de energía relativamente baja, incluyendo mediciones de cómo rotan y vibran los núcleos atómicos. El nuevo enfoque invierte esa estrategia. En lugar de sondear suavemente los núcleos, los investigadores los colisionan a las energías más altas disponibles y reconstruyen sus formas a partir de los patrones que quedan.

"Una comprensión precisa de la estructura nuclear nos ayuda a entender la fuerza fuerte. Pero en lugar de investigar cuidadosamente los núcleos a bajas energías, los destruimos a las energías más altas que podemos crear y ahora podemos leer su forma a partir de la impresión que dejan", afirmó You Zhou.

Los investigadores sostienen que la técnica tiene el potencial de representar un cambio de paradigma. Si se puede desarrollar más, podría ofrecer a los científicos una nueva forma de investigar núcleos atómicos cuyas estructuras internas siguen siendo poco comprendidas.

¿Qué tan pequeños puede llegar a ser un pequeño Big Bang?

Los científicos aún no saben exactamente cuán pequeño puede llegar a ser un sistema de colisión mientras sigue produciendo plasma de quarks y gluones. Determinar ese límite es uno de los próximos grandes objetivos.

El equipo planea realizar experimentos adicionales utilizando núcleos atómicos aún más ligeros, como el helio-4. You Zhou concluyó: "Lo fascinante es que podemos usar el mismo experimento tanto para aprender sobre la estructura de los núcleos atómicos como para obtener una mejor comprensión de lo que ocurrió durante el nacimiento del universo. Estas dos cosas resultan estar mucho más conectadas de lo que uno podría pensar inicialmente".

¿Qué es el plasma de quarks y gluones?

El plasma de quarks y gluones es un estado de materia extremadamente caliente y denso que existió durante el primer millonésimo de segundo después del Big Bang. Durante ese período, las temperaturas eran tan extremas que los protones y neutrones aún no se habían formado. En cambio, las partículas que los componen, los quarks y gluones, se movían libremente en una especie de "sopa" caliente.

A medida que el universo se expandía, su temperatura caía. Los quarks y gluones eventualmente se unieron, formando, entre otras cosas, protones y neutrones. Esas partículas más tarde se convirtieron en los componentes de los núcleos atómicos y, en última instancia, en la materia ordinaria que se encuentra en estrellas, planetas y en nosotros mismos.