Científicos recrean un 'mini Big Bang' en el CERN usando núcleos ligeros

En el corazón de Suiza, dentro del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, un equipo internacional de físicos acaba de lograr algo que parecía imposible hace apenas unos años: recrear en miniatura la materia que llenó el universo durante su primer millonésima de segundo. El experimento ALICE ha desafiado una creencia fundamental de la física de partículas al demostrar que no se necesitan núcleos pesados como el plomo para generar plasma de quarks y gluones, esa sopa primordial ultracaliente y densa que existió antes de que los protones y neutrones pudieran formarse.

Durante décadas, los investigadores consideraron que solo los iones pesados podían alcanzar las condiciones extremas necesarias para reproducir este estado de la materia. Pero el equipo liderado por You Zhou de la Universidad de Copenhague, con apoyo del Instituto Niels Bohr, utilizó isótopos mucho más ligeros: oxígeno-16 y neón-20. Cuando estos núcleos fueron acelerados a velocidades cercanas a la de la luz y se hicieron colisionar dentro del LHC, la energía liberada alcanzó temperaturas más de cien mil veces superiores a las del centro del Sol. En esa fracción infinitesimal de tiempo, surgió una gota de plasma de quarks y gluones, el mismo estado fundamental que reinó en el cosmos naciente hace casi 13.800 millones de años.

Lo que hace verdaderamente revolucionario este hallazgo, publicado en Physical Review Letters, va más allá de simplemente demostrar que sistemas más pequeños pueden generar plasma primordial. Los físicos lograron algo nunca antes conseguido: observar la geometría de los núcleos atómicos originales a través de la huella que dejan las partículas después de la colisión. El oxígeno-16, con su estructura esférica, produjo un patrón redondeado en el movimiento de las partículas resultantes. El neón-20, con una geometría más alargada, dejó una marca similar a la silueta de un bolo de bolera. Como explicó Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, investigador posdoctoral del equipo, es como iluminar un objeto en la oscuridad: no se puede ver el objeto directamente, pero su sombra revela su forma. Del mismo modo, el movimiento de las partículas generadas en la cascada posterior al enfriamiento contiene una memoria geométrica de la colisión original.

El plasma de quarks y gluones dura tan poco tiempo que resulta imposible fotografiarlo. Los científicos no pueden observarlo directamente. En su lugar, miden la dirección y energía de las partículas que emergen cuando el plasma se expande y se enfría rápidamente, reconstruyendo así la estructura del núcleo que originó la colisión. Este enfoque abre una puerta completamente nueva para estudiar la física nuclear. Hasta ahora, los investigadores utilizaban técnicas de baja energía para investigar la estructura de los núcleos. Ahora, el experimento ALICE demuestra que es posible reconstruir la forma y organización de protones y neutrones dentro de núcleos mucho más ligeros de lo que se creía viable, simplemente analizando cómo se expande el plasma después de colisiones de altísima energía.

El equipo también confirmó que el comportamiento colectivo del plasma se mantiene incluso cuando el volumen de materia creada es mucho menor. Las colisiones de oxígeno y neón revelaron señales inequívocas de formación de plasma primordial, incluyendo la pérdida de energía de partículas al atravesar el medio, uno de los indicadores más relevantes de este estado de la materia. Esto sugiere que los núcleos ligeros tuvieron un papel más relevante en los primeros instantes del cosmos de lo que la física suponía anteriormente.

Ahora surge una pregunta apasionante que guiará la investigación futura: ¿cuál es el sistema más pequeño capaz de convertirse en plasma de quarks y gluones? Durante mucho tiempo se pensó que los iones pesados eran la única opción, pero esa frontera se ha desplazado significativamente. El equipo de ALICE planea probar con núcleos aún menores, como el helio-4, para precisar las condiciones mínimas que necesita la materia para atravesar la transición hacia el plasma primordial. Si estos experimentos futuros tienen éxito, la ciencia se acercará a descifrar las reglas que rigieron el caos inicial del universo y contará con una herramienta sin precedentes para investigar tanto la estructura interna de los núcleos como las leyes que gobernaron el universo naciente.