¿Qué existía en el universo antes de que se formaran los átomos, las estrellas y las galaxias? En el CERN, los científicos estudian una de las etapas más extremas de la historia cósmica: un estado de la materia que existió durante los primeros instantes posteriores al Big Bang.
A través del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores pueden generar diminutas cantidades de una materia conocida como plasma de quarks y gluones, un estado que se produjo cuando el universo era extremadamente caliente y denso.
Una temperatura de billones de grados
Para estudiar estas condiciones, los científicos hacen colisionar núcleos de átomos pesados, como los de plomo, después de acelerarlos a velocidades cercanas a la de la luz.
Durante estos choques, enormes cantidades de energía quedan concentradas en un volumen diminuto. Las temperaturas alcanzadas pueden llegar a varios billones de grados, millones de veces superiores a la temperatura del núcleo del Sol.
En estas condiciones extremas, protones y neutrones dejan de comportarse como partículas individuales. Los quarks que los componen y los gluones, responsables de transmitir la fuerza nuclear fuerte, pasan a formar un estado colectivo de materia.
¿Qué es el plasma de quarks y gluones?
En condiciones normales, los quarks permanecen confinados dentro de partículas como protones y neutrones debido a la fuerza nuclear fuerte, una de las interacciones fundamentales de la naturaleza.
Sin embargo, cuando la temperatura y la densidad alcanzan niveles extraordinarios, puede producirse una transición hacia un estado conocido como plasma de quarks y gluones.
Este plasma no se comporta simplemente como un gas de partículas libres. Los experimentos realizados en aceleradores de partículas han mostrado que presenta propiedades similares a las de un fluido extremadamente caliente y con una viscosidad muy baja.
🔬 Una gota de materia que desaparece en un instante
El plasma de quarks y gluones tiene una existencia extremadamente breve. Después de producirse la colisión, esta diminuta región de materia se expande y se enfría en una fracción ínfima de segundo.
Durante ese proceso, los quarks y gluones vuelven a quedar confinados y terminan formando partículas como protones, neutrones y otros hadrones.
Los detectores instalados en el LHC, entre ellos ALICE y CMS, registran las partículas producidas después de las colisiones. A partir de sus trayectorias, energías y distribución, los físicos pueden estudiar indirectamente las propiedades del plasma que existió durante ese instante.
Una de las señales más importantes es el llamado flujo colectivo, mediante el cual las partículas presentan patrones de movimiento que permiten estudiar el comportamiento hidrodinámico de esta materia extrema.
¿Por qué también se estudian colisiones más pequeñas?
Durante años, las colisiones entre núcleos pesados fueron fundamentales para investigar el plasma de quarks y gluones.
Sin embargo, los experimentos con sistemas más pequeños también han adquirido importancia. Las colisiones con núcleos ligeros permiten estudiar cómo influyen factores como el tamaño, la energía y la geometría del choque en la aparición de características colectivas.
Algunos experimentos han observado señales de comportamiento colectivo incluso en sistemas pequeños, lo que ha abierto nuevas preguntas sobre las condiciones necesarias para que una diminuta región de materia presente propiedades similares a las de un fluido.
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Recrear el universo cuando apenas comenzaba
Durante los primeros instantes posteriores al Big Bang, el universo se encontraba en un estado mucho más caliente y denso que el actual.
En esas condiciones, el plasma de quarks y gluones podía existir a gran escala. Conforme el universo se expandió y comenzó a enfriarse, los quarks quedaron confinados dentro de protones, neutrones y otras partículas.
Posteriormente, estas partículas participaron en la formación de los núcleos atómicos y, mucho después, en la evolución de la materia que conocemos actualmente.
Al reproducir condiciones similares durante las colisiones de partículas, los físicos pueden estudiar cómo se comporta la fuerza nuclear fuerte y analizar la transición entre el plasma primordial y la materia formada por partículas compuestas.
Una ventana a los primeros instantes del cosmos
Las colisiones del LHC no recrean el Big Bang completo ni reproducen la evolución del universo. Lo que hacen los científicos es generar, durante una fracción de segundo y en una región microscópica, condiciones que permiten estudiar una forma de materia que existió cuando el cosmos era extremadamente joven.
La investigación del plasma de quarks y gluones también permite poner a prueba la cromodinámica cuántica, teoría que describe la interacción fuerte entre quarks y gluones.
Por ello, los experimentos realizados en el CERN ofrecen una oportunidad para investigar cómo se comporta la materia bajo algunas de las condiciones más extremas conocidas por la física.
En otras palabras, los científicos no están viajando al pasado. Están utilizando aceleradores de partículas para recrear durante un instante las condiciones de una de las primeras formas de materia que existieron en el universo.
📚 Fuente: CERN, información sobre el plasma de quarks y gluones y los experimentos de física de iones pesados del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
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