Recrean el universo primitivo y hallan un giro inesperado
Un experimento de colisiones de partículas acaba de revelar un patrón inesperado en la sopa de partículas que llenó el universo tras el Big Bang. Al hacer chocar núcleos de oro a velocidades cercanas a la de la luz, los físicos observaron una variación que podría ayudar a explicar cómo esa sopa primordial se enfrió y condensó en los protones y neutrones que forman la materia ordinaria.
El experimento que imita los primeros instantes del cosmos
En el Relativista Colisionador de Iones Pesados (RHIC, por sus siglas en inglés), ubicado en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, el experimento STAR analizó aproximadamente mil millones de colisiones entre 3 y 7.7 GeV por par de protones o neutrones. En cada choque, las partículas salen disparadas lateralmente, y la fuerza con que lo hacen varía ligeramente de una colisión a otra. Los físicos esperaban que estas variaciones cambiaran suavemente al ajustar la energía de colisión. Sin embargo, encontraron que las variaciones disminuían y luego volvían a crecer, formando una caída.
Esta caída podría ser la señal de un ansiado “punto crítico”, un conjunto especial de condiciones en las que la materia nuclear cambia su forma de transformarse. La señal, detectada con una significancia estadística de 5 sigma, es lo suficientemente fuerte como para que sea muy improbable que se trate de un accidente estadístico. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 22 de septiembre en la revista Physical Review Letters.
¿Qué es el plasma de quarks y gluones?
Los protones y neutrones están formados por partículas más pequeñas llamadas quarks, unidas por la “fuerza fuerte” que transportan los gluones. Cuando se calientan o comprimen lo suficiente, los protones y neutrones se funden en una sopa caliente de quarks y gluones libres conocida como plasma de quarks y gluones. Se cree que esta sopa primordial llenó el universo en los primeros milisegundos después del Big Bang.
Los físicos quieren determinar cómo ocurrió esta “sopa” midiendo la llamada ecuación de estado de la materia nuclear. “Para el agua, te dice cómo se vinculan la presión, la temperatura y la densidad, y por lo tanto cuándo se congela, hierve o expande”, explicó Rutik Manikandhan, coautor del estudio e investigador postdoctoral en física de la Universidad Estatal de Ohio, en un correo electrónico a Live Science. Para la materia nuclear, “es el libro de reglas básico para la materia bajo las condiciones más extremas de la naturaleza, como los núcleos de las estrellas de neutrones”, añadió.
El punto crítico: una frontera esquiva
El punto crítico es un hito clave en ese libro de reglas. “Para el agua, es el punto donde desaparece la frontera entre líquido y vapor”, dijo Manikandhan. Los teóricos han sospechado durante mucho tiempo que la materia nuclear tiene un punto similar. A temperaturas extremadamente altas, la materia se funde suavemente y de forma gradual en plasma de quarks y gluones, pero a densidades mayores, el cambio puede volverse abrupto. El punto crítico marcaría dónde un tipo de transición se convierte en el otro.
Algunos cálculos recientes sitúan este punto al alcance de las colisiones de baja energía del RHIC. “Pero todo esto sigue siendo conjetura y aún no hay nada concreto, ni de los experimentalistas ni de los teóricos”, señaló Manikandhan.
Implicaciones para la cosmología
El trabajo también es relevante para la cosmología. “Debido a que la materia que creamos en estas colisiones se parece a la materia que llenó el universo unos pocos microsegundos después del Big Bang, mapear cómo se comporta nos ayuda a entender cómo el universo evolucionó desde una sopa caliente de quarks y gluones hasta los protones y neutrones que componen todo lo que existe hoy”, dijo Manikandhan.
Para explorar este territorio, los investigadores hicieron funcionar el RHIC en una variedad de energías de colisión. Cuanto menor es la energía, más se comprime la materia que colisiona. En sus corridas de energía más baja, STAR utilizó una configuración de “blanco fijo”, en la que un haz de núcleos de oro golpea “una fina lámina de oro colocada dentro del detector”, en lugar de un segundo haz que viene de frente. Esto produce la materia más densa que el RHIC puede crear.
Midiendo el flujo de partículas
Las energías de colisión se miden en electronvoltios (la energía que gana un electrón al ser acelerado a través de 1 voltio). Es una cantidad minúscula, por lo que los físicos de partículas suelen trabajar en miles de millones de electronvoltios, o gigaelectronvoltios (GeV). Un GeV es aproximadamente la energía encerrada en la masa de un solo protón, según la famosa ecuación de Einstein E = mc².
El equipo analizó alrededor de mil millones de colisiones a energías entre 3 y 7.7 GeV por par de protones o neutrones. Eso es lo más bajo del rango del RHIC, que alcanza los 200 GeV. En cada colisión, el equipo midió con qué fuerza las partículas cargadas salían disparadas lateralmente de la bola de fuego, una cantidad conocida como momento transverso. Luego buscaron correlaciones entre las partículas. Una correlación mide si dos cosas tienden a cambiar juntas. Aquí, el equipo verificó si los pares de partículas de la misma colisión tendían a ser expulsados con más fuerza que el promedio, o ambos más suavemente. Eso revela algo sobre la bola de fuego en su conjunto. Si una bola de fuego está ligeramente más caliente, o se expande con más fuerza, todas sus partículas reciben un impulso lateral adicional juntas.
“Esas correlaciones reflejan cuánto fluctúan la temperatura y el flujo de la bola de fuego”, dijo Manikandhan. Cerca de un punto crítico, se espera que la capacidad calorífica de la materia —la cantidad de energía necesaria para elevar su temperatura— se dispare. Eso hace que la temperatura de la bola de fuego sea más difícil de mover, por lo que las correlaciones deberían debilitarse. “Si la materia se acerca a un punto crítico o a un cambio de fase, esperaríamos ver que esas correlaciones cambien de una manera inusual, no suave, a medida que variamos la energía de colisión”, dijo Manikandhan.
La caída que desafía lo esperado
Eso es lo que el equipo vio en las colisiones más frontales. “En lugar de cambiar suavemente con la energía, las correlaciones muestran una caída”, dijo Manikandhan. Los investigadores compararon los datos con una tendencia suave anclada en mediciones previas de STAR a energías más altas. La caída se desvía de esa tendencia con una significancia estadística de 5 sigma, el estándar que los físicos suelen exigir antes de tratar una señal como real. Esto significa que si la tendencia verdadera fuera suave, el dispersión aleatoria en los datos produciría una caída tan pronunciada solo aproximadamente una vez en 3.5 millones de intentos.
“Una tendencia suave es lo que se esperaría de la materia nuclear ordinaria, por lo que una caída sugiere que algo más interesante está ocurriendo en esas condiciones”, dijo Manikandhan. Por el contrario, una simulación computacional ampliamente utilizada de las colisiones, que no contiene un punto crítico, reprodujo la tendencia general pero no la caída. Las colisiones descentradas mostraron solo un leve indicio de la misma característica, que es demasiado débil para contar como evidencia por sí sola.
“El resultado es sugerente, no una prueba de un punto crítico”, dijo Manikandhan. Los investigadores señalaron que efectos no relacionados con un punto crítico también pueden dar forma a estas fluctuaciones, y cuánto de la caída podrían explicar sigue sin estar claro. Aun así, la caída “sí apunta a un conjunto de condiciones donde el comportamiento de la materia nuclear cambia, y les da a los teóricos una nueva medición precisa contra la cual probar sus cálculos”, dijo Manikandhan.
Próximos pasos en la búsqueda
A continuación, el equipo planea usar las correlaciones para “extraer el calor específico de la materia caliente”, dijo Manikandhan. Luego lo compararán con simulaciones por supercomputadora que calculan el comportamiento de los quarks y gluones desde primeros principios. Los investigadores también planean probar la caída contra más modelos teóricos y combinarla con otras mediciones, como las fluctuaciones en el número de protones producidos en las colisiones. “Solo cuando diferentes mediciones coincidan podremos decir con confianza si existe un punto crítico”, dijo Manikandhan.
Este avance no solo acerca a los físicos a comprender la materia en condiciones extremas, sino que también ilumina los primeros instantes del universo, conectando la ciencia de lo más pequeño con la historia de lo más grande.
