Poco después del Big Bang, el Universo era una ‘sopa’ a un billón de grados de plasma increíblemente denso. En un experimento innovador, investigadores han encontrado la primera evidencia de que este exótico material primordial realmente se agitaba y arremolinaba como una sopa.
En términos más científicos, esta sopa viscosa se llama plasma quark-gluón, o QGP. Fue el primer y más caliente líquido que jamás haya existido. Las predicciones sugieren que brilló billones de veces más caliente que la superficie del Sol durante unos pocos millonésimos de segundo antes de expandirse, enfriarse y coalescer en átomos.
Como se detalla en un estudio reciente, un equipo de físicos del MIT y el CERN recreó colisiones de iones pesados similares a las que crearon el QGP para explorar sus propiedades. Por ejemplo, cuando un quark fluye a través del plasma, ¿retrocede y salpica como un líquido cohesivo, o se dispersa aleatoriamente como una colección de partículas?
Para averiguarlo, los investigadores analizaron datos de colisiones entre partículas de plomo que fueron aceleradas a casi la velocidad de la luz dentro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Estas colisiones producen chorros de partículas energéticas, como quarks, así como una gota del QGP que permeaba el Universo infantil.
Utilizando una estrategia única que proporcionó una visión más clara de las colisiones de iones pesados que experimentos anteriores, los físicos rastrearon los movimientos de los quarks a través del QGP y mapearon la energía del QGP después de esas colisiones.
“Ahora vemos que el plasma es increíblemente denso, de tal manera que es capaz de ralentizar un quark y produce salpicaduras y remolinos como un líquido. Así que el plasma quark-gluón realmente es una sopa primordial”, afirma la física Yen-Jie Lee del MIT.
Los quarks que se desplazan a través del QGP transfieren parte de su energía al plasma, perdiendo velocidad y creando una estela como un barco a toda velocidad.
“Por analogía, cuando tienes un barco moviéndose a través de un lago, la estela es agua detrás del barco que se mueve en la dirección del barco. El barco ha transferido impulso a una región de agua, que lo está ‘siguiendo'”, explicó a ScienceAlert por correo electrónico el físico del MIT Krishna Rajagopal, quien desarrolló un modelo que predijo las propiedades fluidas del QGP.
Pero en lugar de ver una estela limpia como en el agua, los investigadores tuvieron que inferir su existencia desordenada en sus gotas de QGP.
Esto requiere clasificar decenas de miles de partículas que interactúan salvajemente, en un plasma de un billón de grados que típicamente existe dentro del LHC durante un cuatrillón de segundo, para detectar las pocas partículas desplazadas por la estela.
No es tarea fácil. Cuando los quarks se producen en colisiones del LHC, nunca existen solos, explicó Rajagopal a ScienceAlert. Por lo general, se forman junto con antiquarks, sus partículas contrapartes que son idénticas pero de carga opuesta. El quark y su antiquark vuelan en direcciones opuestas a la misma velocidad, cada uno creando una estela y complicando la detección.
Así que, en lugar de buscar pares quark-antiquark, como en experimentos anteriores, los físicos buscaron un par diferente de partículas. A veces, las colisiones del LHC conducen a la creación de un quark y un bosón Z, una partícula elemental neutra que no produce una estela porque no interactúa con el QGP.
Sin embargo, estos eventos son raros. De los 13 mil millones de colisiones del LHC analizadas en el estudio, solo alrededor de 2,000 produjeron un bosón Z. Pero debido a la falta de interacción del bosón Z con el QGP, los investigadores finalmente pudieron analizar la estela causada por un quark a toda velocidad. Como predijo el modelo de Rajagopal, el QGP reaccionó como un líquido, agitándose y arremolinándose en la estela del quark.
Rajagopal le dijo a ScienceAlert que esta es una “evidencia definitiva e inequívoca” del comportamiento similar a un líquido del QCP, pero el debate de larga data sobre si el QGP fluye y ondula como un fluido aún no está resuelto. Otros investigadores seguramente examinarán los resultados.
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No obstante, esta nueva técnica ofrece un marco para explorar procesos similares en otros tipos de colisiones de alta energía, lo que posiblemente podría iluminar una de las sustancias más misteriosas de la historia del Universo.
“En muchas otras áreas de la ciencia, la forma de aprender sobre las propiedades de un material es perturbarlo de alguna manera y medir cómo se propaga y disipa la perturbación”, dijo Rajagopal.
Y eso es parte de lo que hace que la física sea divertida: si no estás seguro de cómo funciona algo, simplemente destrúyelo a casi la velocidad de la luz.
Esta investigación se publicó en la revista Physics Letters B.
