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Un protón o neutrón ordinario (primer plano) está formado por tres quarks unidos entre sí por gluones, portadores de la fuerza de color. Por encima de una temperatura crítica, los protones, neutrones y otras formas de materia hadrónica se «fundirían» en una sopa caliente y densa de quarks y gluones libres (fondo), el plasma de quarks y gluones. (Crédito de la imagen: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley) |
Los físicos de la Universidad Rice han logrado algo que acerca a la ciencia un paso más a comprender los primeros instantes del universo: medir, por primera vez con precisión, la temperatura del plasma de quarks y gluones (QGP, por sus siglas en inglés) a lo largo de su evolución. Este hallazgo, publicado en Nature Communications, no solo ofrece una ventana inédita a los microsegundos que siguieron al Big Bang, sino que también redefine la manera en que entendemos cómo nació todo.
El QGP es una forma exótica de materia que se cree dominó el universo justo después del Big Bang, antes de que se enfriara y diera paso a la formación de los primeros átomos. Recrear esas condiciones es, en palabras simples, una hazaña casi imposible: hablamos de temperaturas que superan los billones de grados Kelvin, tan extremas que ningún experimento cotidiano podría replicarlas. Sin embargo, gracias a los colisionadores de iones pesados en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los científicos pueden recrear diminutos “ecos” de aquel instante primordial y observar lo que ocurre dentro de esa sopa subatómica de quarks y gluones.
El gran desafío siempre fue medir su temperatura. Los intentos previos estaban llenos de incertidumbre: ¿los resultados eran reales o estaban distorsionados por efectos similares al Doppler? Para resolverlo, el equipo utilizó una técnica basada en la detección de pares electrón-positrón —también llamados pares de leptones térmicos— emitidos durante las colisiones en el colisionador RHIC. Estas diminutas partículas tienen una ventaja crucial: atraviesan el plasma sin alterarse, llevando consigo información directa del entorno donde nacieron.
“Lo que obtuvimos es la huella térmica del QGP”, explicó Frank Geurts, físico de Rice y coportavoz de la colaboración STAR. “Pudimos ver cuán caliente estaba y cómo se fue enfriando, algo que nos acerca a observar las condiciones del universo apenas microsegundos después de su origen”.
El trabajo no fue sencillo. Detectar estos pares entre un mar de partículas es como intentar escuchar un susurro en medio de una tormenta. Fue necesario calibrar cuidadosamente el sistema de detección para identificar las señales más débiles y eliminar el ruido generado por procesos de fondo que podían imitar los efectos térmicos. Pese a las dificultades, el resultado fue histórico: los investigadores lograron medir dos promedios de temperatura distintos según la masa de los pares observados.
Los pares de baja masa mostraron una temperatura promedio de 2,01 billones de kelvin, en línea con lo que los modelos teóricos anticipaban. Pero los pares de alta masa rompieron las expectativas: 3,25 billones de kelvin, un valor que refleja las etapas más calientes y tempranas de la evolución del plasma. En otras palabras, los científicos no solo midieron su temperatura: lograron observar su evolución térmica, desde los momentos más ardientes hasta el inicio de su enfriamiento.
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Frank Geurts es profesor de física y astronomía en Rice y coportavoz de la colaboración RHIC STAR. Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice. |
Este avance marca un antes y un después en la física de altas energías. Permite construir un mapa más completo del llamado diagrama de fases de la cromodinámica cuántica (QCD), una herramienta clave para entender cómo la materia se comporta bajo condiciones extremas, como las que reinan en las estrellas de neutrones o los primeros instantes del cosmos.
Con esta nueva “fotografía térmica” del universo primitivo, los investigadores podrán afinar modelos sobre la vida útil del QGP y sus propiedades de transporte, acercándose a una comprensión más completa del origen de la materia. En palabras de Geurts: “Esto no es solo una medición; es el comienzo de una nueva era en la exploración de la frontera más extrema de la materia”.