Durante una fracción diminuta de segundo, dentro del Gran Colisionador de Hadrones del CERN apareció algo que no debería existir en el Universo actual de manera estable: una gota microscópica de la materia que dominaba el cosmos inmediatamente después del Big Bang.
Para conseguirlo, los físicos no hicieron chocar los enormes núcleos de plomo que tradicionalmente se utilizan en estos experimentos. Usaron algo mucho menor: oxígeno-16 y neón-20.
Las colisiones, estudiadas por la colaboración ALICE con una participación destacada de investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, alcanzaron una energía de 5,36 TeV por pareja de nucleones. Los datos muestran un comportamiento colectivo compatible con la formación de plasma de quarks y gluones incluso en estos sistemas ligeros.
Durante un instante hicieron que los protones y neutrones dejaran de ser protones y neutrones
Hoy los quarks se encuentran confinados dentro de partículas como protones y neutrones. Pero el Universo recién nacido era demasiado caliente para que esa estructura pudiera existir.
Durante sus primeros microsegundos, la temperatura era tan extrema que quarks y gluones podían moverse libremente formando una especie de fluido ultradenso conocido como plasma de quarks y gluones (QGP). Conforme el cosmos se expandió y enfrió, aquellas partículas acabaron agrupándose hasta construir la materia ordinaria que, miles de millones de años después, terminaría formando estrellas, planetas y personas.
El LHC permite invertir temporalmente ese proceso. Al acelerar núcleos hasta velocidades próximas a la de la luz y hacerlos colisionar, la energía concentrada alcanza temperaturas más de 100.000 veces superiores a las del centro del Sol. Durante una fracción minúscula de segundo surge una gota de QGP que comienza inmediatamente a expandirse y enfriarse.
La sorpresa es el tamaño necesario para conseguirlo. Durante mucho tiempo se pensó que había que utilizar iones pesados como plomo o xenón para generar un volumen suficiente de esa materia. Los últimos resultados del LHC han ido erosionando esa frontera, y las colisiones de oxígeno y neón ofrecen ahora varias señales características de QGP en sistemas mucho menores. CERN incluso ha encontrado evidencias de pérdida de energía de partículas al atravesar el medio, una de las señales más importantes de su formación.
El “mini Big Bang” hizo algo todavía más extraño: recordó la forma de lo que chocó
El plasma dura demasiado poco para fotografiarlo directamente. Pero al enfriarse genera una cascada de partículas cuya dirección puede medirse. Y esas partículas contienen una especie de memoria geométrica de la colisión.
El oxígeno-16 tiene una distribución relativamente redondeada. El neón-20, en cambio, presenta una geometría más alargada que los investigadores comparan con un bolo de bolera.
Cuando ALICE estudió cómo salían despedidas las partículas, encontró diferencias entre ambos sistemas. Las colisiones de neón producían un flujo elíptico mayor que las de oxígeno, precisamente en la dirección que predecían los modelos que incorporaban la particular forma del núcleo de neón. El estudio publicado en Physical Review Letters encontró una buena concordancia entre esas mediciones y los modelos hidrodinámicos.
Es casi como destruir un objeto y reconstruir su silueta observando únicamente la dirección en la que salieron disparados sus fragmentos.
La consecuencia puede ser enorme para la física nuclear. En lugar de estudiar exclusivamente los núcleos mediante técnicas de baja energía, los científicos podrían estrellarlos a energías extremas y utilizar la expansión del plasma como una herramienta para revelar cómo están organizados sus protones y neutrones.
Ahora quieren ir todavía más lejos: comprobar cuánto puede encogerse un Big Bang de laboratorio
El experimento deja abierta una pregunta especialmente atractiva: ¿cuál es el sistema más pequeño capaz de convertirse en plasma de quarks y gluones? Todavía no conocemos esa frontera.
El siguiente objetivo planteado por los investigadores es probar núcleos aún menores, entre ellos helio-4. Si consiguen seguir reduciendo el tamaño y el comportamiento colectivo permanece, podrán precisar qué condiciones mínimas necesita la materia para atravesar esa transición. Eso convierte estas colisiones microscópicas en algo bastante más poderoso que una reproducción espectacular del Universo temprano.
El mismo experimento permite mirar en dos direcciones opuestas de la historia de la materia: hacia dentro, para descubrir la forma de estructuras de apenas femtómetros, y casi 13.800 millones de años hacia atrás, para entender qué ocurrió cuando el Universo era tan joven que los protones y neutrones todavía no podían existir como los conocemos.
