Recrear las condiciones que existieron apenas una fracción de segundo después del Big Bang requiere temperaturas extraordinarias y colisiones de partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Durante años, los físicos recurrieron principalmente a núcleos pesados, como el plomo, para conseguirlo, pero un experimento realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN acaba de demostrar que también es posible utilizando sistemas mucho más pequeños.
La colaboración internacional ALICE consiguió producir plasma de quarks y gluones mediante colisiones de núcleos de oxígeno-16 y neón-20, desplazando así el límite conocido sobre el tamaño necesario para generar esta forma extrema de materia, similar a la que llenó el universo durante sus primeros microsegundos.
Una “sopa” de partículas que existió antes de los protones
Actualmente, los quarks se encuentran atrapados dentro de protones y neutrones, pero durante los primeros instantes después del Big Bang las temperaturas eran tan elevadas que podían desplazarse libremente junto a los gluones, formando un estado denominado plasma de quarks y gluones (QGP).
El LHC permite reproducir durante un instante aquellas condiciones al acelerar núcleos hasta velocidades cercanas a la luz y hacerlos colisionar. La energía liberada genera temperaturas que pueden superar en más de 100.000 veces las existentes en el núcleo del Sol, formando una diminuta gota de plasma que inmediatamente comienza a expandirse y enfriarse.
Hasta ahora se consideraba que eran necesarios núcleos considerablemente pesados para generar suficiente materia, pero el experimento con oxígeno y neón demuestra que este comportamiento colectivo también puede aparecer en sistemas mucho menores.
Las partículas conservaron una “huella” de la forma del núcleo
El experimento produjo además otro resultado especialmente interesante. Aunque el plasma existe durante un tiempo demasiado breve como para observarlo directamente, las partículas que aparecen después de su enfriamiento conservan información sobre la geometría inicial de la colisión.
Los científicos comprobaron que el oxígeno-16, cuya estructura es más esférica, dejaba un patrón diferente al del neón-20, que presenta una geometría más alargada.
El investigador Emil Gorm Dahlbæk Nielsen compara el procedimiento con observar la sombra de un objeto: aunque no podamos ver directamente aquello que la produce, su silueta permite deducir su forma.
De esta manera, el movimiento de miles de partículas generadas tras el choque puede utilizarse para reconstruir cómo estaban distribuidos originalmente los protones y neutrones dentro del núcleo.
El CERN quiere descubrir cuál es el “Big Bang” más pequeño posible
Los resultados también muestran señales características de la existencia del plasma, como el comportamiento colectivo de las partículas y la pérdida de energía que experimentan cuando atraviesan este medio extremadamente caliente y denso.
Ahora la gran pregunta es hasta qué punto puede reducirse el tamaño de los núcleos y seguir produciendo QGP.
El siguiente paso podría consistir en experimentar con sistemas todavía menores, como el helio-4, para determinar cuál es la cantidad mínima de materia necesaria para que aparezca este estado.
Encontrar ese límite permitiría comprender mejor cómo surge el comportamiento colectivo de la materia a escalas diminutas y, al mismo tiempo, ofrecería una nueva herramienta para estudiar la estructura interna de los núcleos.
El experimento ALICE consigue así mirar en dos direcciones a la vez: hacia el interior de la materia, reconstruyendo estructuras de apenas femtómetros, y hacia atrás en el tiempo, hasta los primeros instantes de un universo en el que los protones y neutrones todavía no existían tal como los conocemos.
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