Durante décadas, los libros de texto han mostrado los núcleos atómicos como pequeñas esferas compactas, casi perfectas. Pero la física moderna lleva tiempo sospechando que esa imagen es demasiado simple. Ahora, un experimento del Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, en sus siglas en inglés): por primera vez, las colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón han permitido observar cómo estos núcleos se deforman, vibran y cambian de geometría. Y lo más importante: este hallazgo abre una nueva vía para estudiar la estructura de la materia con una precisión que antes parecía inalcanzable.
Un microscopio basado en choques a 5 billones de electronvoltios
El estudio, publicado en Physical Review Letters, analizó colisiones de núcleos ligeros a 5,36 TeV por par de nucleones. A esas energías, los núcleos se desintegran en un estado exótico de la materia: el plasma de cuarks y gluones, una sopa ultracaliente que fluye como un líquido.
Ese flujo no es aleatorio. La dirección preferente en la que se expanden las partículas depende de la forma inicial del núcleo justo antes del choque. Si el núcleo es más esférico, el flujo resultante es distinto que si es más alargado o triangular. Por eso, midiendo cuidadosamente ese patrón, los científicos pueden reconstruir la geometría nuclear original. Es, en cierto modo, un microscopio de la forma de los núcleos, pero que funciona con «explosiones» subatómicas.
Oxígeno-16 casi esférico, neón-20 más “estirado”
Los resultados muestran señales claras de flujo elíptico y triangular en ambos tipos de colisiones. Pero lo más revelador es la comparación. El neón-20 produce un flujo elíptico más intenso que el oxígeno-16 en colisiones centrales. Esa diferencia coincide con predicciones teóricas que sugerían que el neón tiene una forma menos esférica, más alargada. El núcleo de oxígeno, en cambio, es más compacto y simétrico, cercano a la forma tetraédrica propuesta en modelos nucleares modernos.
Por tanto, los núcleos ligeros no son esferas rígidas, sino objetos cuánticos deformables cuya geometría influye en cómo se comportan en colisiones relativistas.
Por qué este resultado importa (y mucho)
Este hallazgo no es solo una curiosidad geométrica. Tiene implicaciones profundas:
1. Una nueva forma de estudiar la estructura nuclear
Hasta ahora, la forma de los núcleos se infería mediante técnicas indirectas: espectroscopía, modelos teóricos o experimentos con haces de baja energía. El Gran Colisionador de Hadrones introduce una herramienta completamente distinta: usar el flujo del plasma de quarks y gluones como “huella dactilar” de la geometría nuclear.
2. Mejora los modelos de materia en condiciones extremas
El plasma de cuarks y gluones es el estado de la materia que existió microsegundos después del Big Bang. Para entender cómo evoluciona, los científicos necesitan conocer con precisión la forma inicial de los núcleos que chocan. Este estudio reduce la incertidumbre y permite simulaciones más fiables.
3. Abre la puerta a estudiar otros núcleos ligeros y exóticos
Si el método funciona con oxígeno y neón, podría aplicarse a núcleos con formas aún más extrañas: halo-núcleos, núcleos deformados de isótopos raros o incluso configuraciones con clustering de partículas alfa. Es una vía para explorar regiones de la tabla periódica que son inaccesibles por métodos tradicionales.
4. Conecta la física nuclear con la física de altas energías
Este trabajo demuestra que el LHC no solo sirve para buscar partículas nuevas: también puede revelar cómo está hecha la materia ordinaria, la que compone nuestro cuerpo y nuestro planeta.
Un resultado prometedor, pero no definitivo
Los autores admiten que hay alguna ligera incoherencia en los resultados respecto a las predicciones teóricas, lo que sugiere que los modelos deben mejorar, especialmente en el tratamiento de las fluctuaciones cuánticas en núcleos pequeños. Pero eso no resta importancia al avance: por primera vez, se ha demostrado que las colisiones de iones ligeros pueden “fotografiar” la forma de los núcleos.
Miles de investigadores
En la investigación han participado unos 3100 científicos pertenecientes a unas 200 instituciones de 50 países. Entre ellas se encuentran seis instituciones científicas españolas y portuguesas:
- Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Madrid, España
- Universidad Autónoma de Madrid, Madrid, España
- Universidad de Oviedo, Instituto Universitario de Ciencias y Tecnologías Espaciales de Asturias (ICTEA), Oviedo, España
- Instituto de Física de Cantabria (IFCA), CSIC-Universidad de Cantabria, Santander, España
- Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), Lisboa, Portugal
- Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal
y 13 iberoamericanas:
Instituto de Alta Investigación, Universidad de Tarapacá, Arica, Chile
Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile
Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia
Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
Universidad San Francisco de Quito, Quito, Ecuador
Universidad de Sonora (UNISON), Hermosillo, México
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Ciudad de México, México
Universidad Iberoamericana, Ciudad de México, México
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México
Universidad de Puerto Rico, Mayagüez, Puerto Rico
Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Rio de Janeiro, Brasil
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil
Universidade Estadual Paulista / Universidade Federal do ABC, São Paulo, Brasil
¿Por qué participan tantas personas? Esto es habitual en muchas publicaciones de este tipo y se debe a que forman parte de la Colaboración CMS, que es uno de los dos grandes equipos internacionales que operan los detectores de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Si el Gran Colisionador es el acelerador, CMS es uno de sus “ojos”. Significa Compact Muon Solenoid, el nombre del detector. Pero “CMS” también designa a la colaboración internacional que lo construye y trabaja sobre sus datos. Es una organización gigantesca diseñado para registrar y analizar las colisiones de protones e iones a las mayores energías jamás alcanzadas en un laboratorio Supone una de las mayores colaboraciones científicas de la historia, comparable a ATLAS, el otro gran detector del Gran Colisionador.
La entidad CMS registra los productos de las colisiones de partículas que ocurren en el Gran Colisionador de Hadrones. Cuando dos protones chocan a energías de varios TeV, se crean partículas nuevas y estados exóticos de la materia. CMS detecta esas partículas y reconstruye lo que ocurrió en la colisión:
- Detectar muones, electrones, fotones y hadrones.
- Medir energías y momentos con altísima precisión.
- Reconstruir trayectorias de partículas cargadas.
- Identificar partículas pesadas como el bosón de Higgs, quarks top, etc.
- Estudiar materia en condiciones extremas, como el plasma de cuarks y gluones.
De la Colaboración CMS forman parte universidades, centros de investigación y laboratorios europeos, americanos, asiáticos, africanos y oceánicos.
Un detector gigantesco y sofisticado
En cuanto al detector, aunque se llama “compacto”, es enorme 14 metros de diámetro, 21 metros de largo y peso de 14 000 toneladas. Su nombre proviene del enorme solenoide superconductivo que genera un campo magnético de 3,8 teslas, esencial para curvar las trayectorias de las partículas cargadas y medir su momento. Ha sido clave en algunos de los mayores descubrimientos de la física moderna:
- Descubrimiento del bosón de Higgs (2012), junto con ATLAS.
- Medidas precisas de partículas del Modelo Estándar.
- Búsqueda de física más allá del Modelo Estándar: supersimetría, dimensiones extra, partículas exóticas.
- Estudios de colisiones de iones pesados que revelan propiedades del plasma primordial del universo.
El estudio que hemos comentado —la geometría nuclear del oxígeno y el neón— es un ejemplo de cómo CMS también contribuye a la física nuclear y a la comprensión de la materia ordinaria.
Referencia
A. Hayrapetyan et al. (Collaboration CMS), Observation of Long-Range Collective Flow in O+O and Ne+Ne Collisions and Implications for Nuclear Structure Studies, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/26wx-tg6f
