El Gran Colisionador de Hadrones revela materia del Big Bang en colisiones inesperadamente pequeñas

Investigadores del CERN han descubierto nueva evidencia que sugiere que incluso colisiones atómicas relativamente pequeñas pueden recrear el extraordinario estado de materia que existió en el universo momentos después del Big Bang. Este estado, conocido como plasma de quarks y gluones, se forma a temperaturas más de 100,000 veces superiores a las del centro del Sol, lo que provoca que las partículas ordinarias se descompongan en sus bloques fundamentales.

Los hallazgos se produjeron un año después de las primeras colisiones de oxígeno en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Las cuatro principales colaboraciones de investigación del colisionador, ALICE, ATLAS, CMS y LHCb, reportaron signos de que esta forma primordial de materia puede surgir cuando colisionan núcleos de oxígeno y neón.

Estos resultados desafían la suposición de que se requieren fuerzas enormes para crear una sustancia tan extrema. Además, ofrecen a los científicos una nueva forma de investigar las condiciones que prevalecieron durante los primeros momentos del universo.

Recreando la materia extrema del universo temprano

El plasma de quarks y gluones (QGP) es un estado inusual de la materia que aparece bajo una presión y calor extremos. A temperaturas que superan las 100,000 veces las del centro del Sol, partículas como protones y neutrones no pueden mantener su estructura normal y se descomponen en quarks y gluones.

Los físicos creen que este fue el estado de la materia durante los primeros millonésimos de segundo después del Big Bang. Casi 14 mil millones de años después, los investigadores pueden recrear brevemente estas condiciones extraordinarias al colisionar núcleos atómicos a altas energías dentro del LHC.

Durante décadas, se pensó que la generación de este plasma requería colisiones entre núcleos atómicos muy pesados, particularmente de plomo. Sin embargo, descubrimientos recientes han cuestionado cada vez más esa suposición.

En el presente año, la colaboración ALICE identificó otra indicación de la formación de QGP en colisiones de protones y protones-plomo. El año anterior, investigadores del LHC también reportaron los primeros indicios de este plasma emergiendo de colisiones de oxígeno-oxígeno.

Ahora, investigaciones más detalladas han revelado múltiples signos de que el QGP puede formarse en colisiones que involucran núcleos de oxígeno y neón, proporcionando evidencia más sólida de que las condiciones requeridas para crear esta materia primordial no están limitadas a colisiones atómicas pesadas.

Los científicos detectan evidencia de pérdida de energía en colisiones extremas

Una de las formas más claras de identificar el plasma de quarks y gluones es examinar lo que sucede cuando quarks y gluones energéticos viajan a través de él. A medida que estas partículas se mueven a través del material extremadamente caliente y denso, pierden parte de su energía. Este proceso, denominado pérdida de energía de partones, proporciona una pista importante de que se ha formado QGP.

La colaboración ATLAS detectó claramente este efecto al estudiar pares de chorros de partículas generados durante colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón. Estos chorros son corrientes concentradas de partículas producidas cuando quarks y gluones energéticos emergen de una colisión.

Los investigadores observaron diferencias en la energía entre los chorros emparejados, indicando que algunas partículas habían perdido energía al viajar a través del material circundante. El efecto fue especialmente pronunciado durante colisiones más directas y frontales (centrales), que se espera generen un mayor volumen de plasma, proporcionando más material para que las partículas viajen y causando una mayor pérdida de energía.

Los resultados preliminares de ATLAS brindan apoyo adicional a esta interpretación. Al examinar partículas cargadas que retroceden en la dirección opuesta a los fotones, los investigadores encontraron una relación similar entre la pérdida de energía y la centralidad de las colisiones nucleares.

Varios experimentos de CERN confirman el patrón

Las colaboraciones ALICE, CMS y LHCb buscaron el mismo proceso subyacente utilizando un enfoque diferente. En lugar de centrarse principalmente en la energía de los chorros de partículas, examinaron cómo el plasma parece reducir la producción de ciertas partículas energéticas.

CMS encontró que la producción de partículas cargadas fue suprimida en colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón en comparación con colisiones de protones-protones. Esta reducción es consistente con partículas que pierden energía dentro del plasma de quarks y gluones y proporciona más evidencia de que el material exótico puede formarse en colisiones que involucran núcleos más ligeros.

LHCb reportó otra pista importante en un estudio separado. La colaboración investigó partículas que contienen un quark de encanto y un quark más ligero, comparando cuán fuertemente su producción fue suprimida en colisiones de oxígeno y neón. La supresión fue más pronunciada en las colisiones de neón, un comportamiento que los científicos esperarían si colisiones más grandes producen volúmenes mayores de plasma, causando que las partículas pierdan más energía al pasar a través de él.

Sin embargo, la reducción en la producción de partículas no prueba necesariamente que la pérdida de energía sea responsable. Otros procesos físicos podrían producir efectos similares.

Para investigar esta posibilidad, ALICE comparó la producción de piones neutros en colisiones de oxígeno-oxígeno y protones-oxígeno. La comparación proporcionó evidencia inequívoca de la pérdida de energía de partones en colisiones de oxígeno-oxígeno, fortaleciendo la afirmación de que incluso colisiones nucleares relativamente pequeñas pueden generar condiciones asociadas con el plasma de quarks y gluones.

Más pistas emergen de partículas subatómicas exóticas

Los investigadores también buscaron otra firma distintiva de QGP que involucra partículas hechas de un quark pesado y su correspondiente antiquark. Estos pares pueden unirse brevemente tras colisiones de alta energía. Algunos están más fuertemente unidos que otros, lo que los hace más susceptibles a la interrupción por el plasma circundante.

Al examinar qué estados ligados son suprimidos y en qué medida, los físicos pueden reunir evidencia adicional sobre si está presente el QGP. La colaboración CMS encontró evidencia de esta supresión variable en partículas llamadas mesones upsilon, que consisten en un quark de fondo emparejado con su antiquark. Los investigadores identificaron el efecto al comparar colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón.

LHCb también reportó evidencia preliminar de un comportamiento similar, esta vez utilizando datos de colisiones de protones-oxígeno y oxígeno-oxígeno. Juntas, estas observaciones añaden otra pieza a la creciente evidencia de que el plasma primordial puede surgir en colisiones nucleares mucho más pequeñas de lo que tradicionalmente se ha utilizado para estudiarlo.

Patrones de partículas inesperados ofrecen otra pista

La colaboración ALICE identificó otra posible firma de plasma de quarks y gluones, esta vez involucrando las direcciones en las que las partículas viajan tras una colisión. En hallazgos preliminares, los investigadores observaron que las partículas que contienen tres quarks (bariones) mostraron una preferencia más fuerte por ciertas direcciones que las partículas compuestas de dos quarks (mesones) durante las colisiones de oxígeno-oxígeno. Este comportamiento se conoce como flujo anisotrópico. En lugar de dispersarse uniformemente en todas las direcciones, las partículas emergen en patrones influenciados por las condiciones dentro del material creado durante la colisión.

La explicación principal involucra la formación de QGP. Cuando partículas con momentos intermedios emergen de este plasma, pueden heredar movimiento colectivo de los quarks que las componen. Dado que los bariones contienen tres quarks mientras que los mesones contienen solo dos, los bariones pueden heredar más de este flujo, produciendo la diferencia observada en el experimento. Este patrón distintivo proporciona otra posible indicación de que se está recreando la materia extrema del universo temprano en colisiones de oxígeno.

Una nueva ventana a los primeros momentos del universo

Los científicos continúan analizando datos de colisiones que involucran núcleos atómicos más ligeros, buscando evidencia adicional sobre cómo se forma y comporta el plasma de quarks y gluones. Los hallazgos están reformulando la comprensión de las condiciones necesarias para producir uno de los estados de materia más extremos conocidos por la física. Lo que antes parecía requerir colisiones entre núcleos masivos ahora puede investigarse a través de sistemas mucho más pequeños, brindando a los investigadores nuevas oportunidades para explorar el comportamiento de la materia bajo condiciones extraordinarias.

Mientras tanto, CERN está actualizando el Gran Colisionador de Hadrones a un LHC de alta luminosidad más potente. El acelerador mejorado permitirá a los científicos recopilar significativamente más datos de colisión e investigar las propiedades del plasma de quarks y gluones con mayor detalle. Con cada nuevo descubrimiento, los investigadores obtienen una imagen más clara del notable estado de materia que dominó el universo durante sus primeros momentos fugaces tras el Big Bang.

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