Los cuatro grandes experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (GCH) del CERN —ALICE, ATLAS, CMS y LHCb— han encontrado nuevas evidencias de que las colisiones entre núcleos de oxígeno y neón pueden generar el plasma de cuarks y gluones, un estado extremo de la materia que existió durante los primeros instantes del Universo, apenas unos microsegundos después del Big Bang.
Estos resultados, obtenidos un año después de las primeras colisiones de oxígeno realizadas en el GCH, refuerzan la idea de que este peculiar estado de la materia no solo puede producirse mediante colisiones de núcleos pesados, como el plomo, sino también con elementos mucho más ligeros. El hallazgo abre una nueva vía para estudiar cómo evolucionó el Universo en sus primeras etapas.
El plasma de cuarks y gluones se forma únicamente bajo condiciones extremas de temperatura y presión, alcanzando valores superiores a 100 000 veces la temperatura del centro del Sol. En ese entorno, las partículas compuestas, como protones y neutrones, dejan de existir como tales y se descomponen en sus constituyentes fundamentales: los cuarks y los gluones, las partículas responsables de mantener unidos a los cuarks mediante la interacción fuerte.
Los científicos consideran que todo el Universo estuvo formado por este plasma durante los primeros microsegundos tras el Big Bang. Aunque ese estado desapareció hace cerca de 14 000 millones de años, hoy es posible recrearlo durante un instante mediante colisiones de altísima energía entre núcleos atómicos en el GCH.
Hasta hace pocos años, la comunidad científica asumía que únicamente las colisiones entre iones pesados, especialmente de plomo, eran capaces de generar un volumen suficiente de plasma de cuarks y gluones. El plomo posee una masa superior a 200 veces la del protón, la partícula que normalmente acelera el GCH en sus experimentos habituales.
Sin embargo, esta idea ha comenzado a cambiar de forma significativa. A principios de este año, la colaboración ALICE, especializada en el estudio del plasma de cuarks y gluones, presentó indicios de este estado de la materia en colisiones entre protones y entre protones y plomo. Posteriormente, las primeras colisiones de oxígeno-oxígeno ofrecieron nuevas pistas. Ahora, el análisis de un volumen mucho mayor de datos proporciona múltiples señales de que el plasma también puede formarse en colisiones de oxígeno y neón, dos núcleos considerablemente más ligeros que el plomo.
Una de las pruebas más importantes procede del fenómeno conocido como pérdida de energía de los partones. Los partones —nombre que engloba a cuarks y gluones cuando forman parte de partículas compuestas— pierden parte de su energía al atravesar el plasma caliente y denso. Esta pérdida modifica la distribución de las partículas generadas tras la colisión.
La colaboración ATLAS observó de forma inequívoca este efecto mediante el estudio de pares de chorros de partículas producidos en colisiones de oxígeno y neón. Los investigadores comprobaron que el desequilibrio energético entre ambos chorros aumenta cuando las colisiones son más centrales, es decir, cuando los núcleos impactan de forma más frontal. En esas condiciones se genera un mayor volumen de plasma, lo que provoca una pérdida de energía más intensa. Estudios preliminares realizados con partículas cargadas asociadas a fotones muestran un comportamiento coherente con esta interpretación.
Por su parte, las colaboraciones ALICE, CMS y LHCb buscaron evidencias mediante otra estrategia: analizar hasta qué punto el plasma reduce la producción de partículas muy energéticas.
Los investigadores de CMS detectaron una disminución significativa en la producción de partículas cargadas durante las colisiones de oxígeno y neón en comparación con las colisiones entre protones, un resultado compatible con la existencia del plasma de cuarks y gluones. A su vez, LHCb estudió partículas formadas por un cuark encanto y un cuark ligero, observando que la supresión era más intensa en las colisiones de neón que en las de oxígeno. Este comportamiento coincide con las predicciones teóricas: cuanto mayor es el sistema que colisiona, mayor es el volumen de plasma generado y, por tanto, mayor la pérdida de energía experimentada por las partículas.
Para descartar que otros procesos físicos pudieran explicar esta reducción, ALICE comparó la producción de piones neutros en colisiones de oxígeno-oxígeno y de protón-oxígeno. Los resultados proporcionan una evidencia clara de que la pérdida de energía observada está asociada a la formación del plasma.
Otra señal relevante procede del estudio de partículas muy inestables llamadas mesones upsilon, formadas por un cuark fondo y su correspondiente anticuark. En presencia del plasma, estos estados ligados tienden a romperse con distinta facilidad según la intensidad con la que sus componentes permanezcan unidos. Tanto CMS como LHCb encontraron indicios de esta supresión diferencial, considerada otro marcador característico de la formación del plasma de cuarks y gluones.
Finalmente, ALICE presentó resultados preliminares sobre un fenómeno denominado flujo anisotrópico, que describe la tendencia de determinadas partículas a emitirse preferentemente en ciertas direcciones tras la colisión. El experimento observó que los bariones, formados por tres cuarks, presentan un flujo anisotrópico más intenso que los mesones, compuestos por dos cuarks. La explicación más aceptada es que el plasma transmite parte de su movimiento colectivo a las partículas producidas, un efecto que resulta más acusado en aquellas que contienen un mayor número de cuarks.
Los investigadores continúan analizando los datos obtenidos en las colisiones con iones ligeros, mientras el GCH avanza hacia una profunda modernización para convertirse en el GCH de Alta Luminosidad. Esta nueva etapa permitirá obtener un volumen de datos mucho mayor y estudiar con una precisión sin precedentes las propiedades del plasma de cuarks y gluones, acercando a los científicos a comprender cómo era la materia en los primeros instantes de la historia del Universo.
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