Investigadores del MIT han confirmado que el plasma de quarks y gluones se comporta como un líquido, observando cómo los quarks generan ondas al moverse a través de él, lo que proporciona nuevas perspectivas sobre el universo primitivo.
En los primeros instantes del universo, se formó una sopa caliente de quarks y gluones que alcanzaba temperaturas cercanas a un billón de grados. Estos partículas elementales se movían a la velocidad de la luz, generando lo que se conoce como plasma de quarks y gluones, un estado que solo perduró unos pocos millones de segundos. A medida que este material primordial se enfrió rápidamente, sus componentes individuales comenzaron a fusionarse para dar origen a protones, neutrones y otras partículas fundamentales que componen la materia actual.
Un equipo de físicos del CERN, en Suiza, está trabajando en la recreación del plasma de quarks y gluones (QGP) para profundizar en el entendimiento de los ingredientes iniciales del universo. Al colisionar iones pesados a velocidades cercanas a la luz, los científicos logran desestabilizar temporalmente quarks y gluones, permitiendo así el estudio de este material que existió durante los primeros microsegundos tras el Big Bang.
Recientemente, un grupo de investigadores liderado por físicos del MIT ha observado señales claras de que los quarks generan estelas mientras atraviesan el plasma. Este fenómeno es comparable a cómo un pato deja ondas en el agua al nadar. Estas observaciones representan la primera evidencia directa de que el plasma de quarks y gluones reacciona ante partículas veloces como si fuera un único fluido, en lugar de dispersarse aleatoriamente como partículas individuales.
“Ha sido un largo debate en nuestra área sobre si el plasma debería responder a un quark”, comenta Yen-Jie Lee, profesor de física en MIT. “Ahora vemos que el plasma es increíblemente denso, capaz de desacelerar un quark y producir salpicaduras y remolinos como un líquido. Así que realmente podemos afirmar que el plasma de quarks y gluones es una sopa primordial.”
Para observar los efectos dejados por las estelas de los quarks, Lee y su equipo desarrollaron una nueva técnica que detallan en su estudio. Tienen planes para aplicar este enfoque a más datos sobre colisiones de partículas con el fin de identificar otras estelas generadas por quarks. Al medir el tamaño, velocidad y duración de estas estelas, los científicos pueden obtener información valiosa sobre las propiedades del plasma y su comportamiento durante esos momentos iniciales del universo.
“Estudiar cómo las estelas de quarks rebotan nos proporcionará nuevas perspectivas sobre las propiedades del plasma”, señala Lee. “Con este experimento, estamos capturando una instantánea de esta sopa cuántica primordial.”
Los coautores del estudio son parte de la CMS Collaboration, un equipo internacional dedicado al análisis de datos provenientes del experimento Compact Muon Solenoid (CMS), uno de los detectores más importantes en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Este experimento fue fundamental para detectar las señales relacionadas con los efectos dejados por las estelas cuánticas.
Quark-gluon plasma, considerado como el primer líquido existente en el universo, también ostenta el título del líquido más caliente jamás registrado, con temperaturas estimadas en varios trillones de grados Celsius durante su efímera existencia. Este caldo hirviente es pensado como un líquido casi “perfecto”, donde los quarks y gluones fluyen juntos como un fluido suave y sin fricción.
Diversos experimentos independientes y modelos teóricos han sustentado esta imagen del QGP. Uno desarrollado por Krishna Rajagopal, profesor en MIT, predice que el plasma debe comportarse como un fluido ante cualquier partícula rápida que lo atraviese. Su modelo híbrido sugiere que cuando un chorro de quarks atraviesa el QGP, debería generar una estela detrás que induzca al plasma a ondularse.
A través del uso innovador de bosones Z —partículas elementales eléctricamente neutras— como etiquetas para rastrear estos efectos, Lee y su equipo han logrado identificar eventos específicos donde solo un quark se mueve a través del plasma junto con un bosón Z. Esto les ha permitido mapear patrones fluidos consistentes con lo previsto por modelos teóricos previos.
"Hemos obtenido la primera evidencia directa de que efectivamente un quark arrastra más plasma consigo mientras viaja", concluye Lee. "Esto nos permitirá estudiar las propiedades y comportamientos de este fluido exótico con detalles sin precedentes."
Este trabajo ha contado con apoyo parcial del Departamento de Energía estadounidense.