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Experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones lograron recrear condiciones extremas del Big Bang al producir plasma de quarks y gluones, permitiendo a los físicos detectar una caída inferior al 1% en la producción de partículas y obtener nuevas pistas sobre el comportamiento de la materia en los primeros instantes del universo
En el primer milisegundo después del Big Bang, físicos del LHC recrearon en laboratorio un plasma de quarks y gluones y detectaron una caída inferior al 1% en la producción de partículas detrás de un quark, revelando nueva evidencia sobre la materia primordial.
Colisiones de gran magnitud en el Gran Colisionador de Hadrones revelaron el más tenue rastro dejado por un quark al atravesar materia nuclear a trillones de grados. El resultado sugiere que la sopa primordial del universo podría haber sido, literalmente, más parecida a una sopa.
Los descubrimientos son de la colaboración Compact Muon Solenoid del LHC. El experimento presentó la primera evidencia clara de una sutil caída en la producción de partículas detrás de un quark de alta energía mientras atraviesa el plasma de quarks y gluones.
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Esta gota de materia primordial se considera similar al estado que llenó el universo microsiglos después del Big Bang. El estudio fue publicado el 25 de diciembre de 2025 en la revista Physics Letters B.
Recreando el Ambiente del Big Bang en Laboratorio
Cuando núcleos atómicos pesados colisionan a velocidades cercanas a la de la luz dentro del LHC, se fusionan brevemente en un estado exótico llamado plasma de quarks y gluones. En ese ambiente extremo, la densidad y la temperatura impiden el mantenimiento de la estructura atómica regular.
Según Yi Chen, profesor asistente de física de la Universidad Vanderbilt e integrante del equipo del CMS, todos los núcleos se superponen y forman el plasma. En este estado, los quarks y gluones pueden moverse más allá de los límites de los núcleos y se comportan más como un líquido.
La gota de plasma creada en estas colisiones mide alrededor de 10⁻¹⁴ metros de diámetro, o 10.000 veces más pequeña que un átomo. Desaparece casi instantáneamente, pero, en ese intervalo, los quarks y gluones fluyen colectivamente de manera similar a un líquido ultra ligero.
Los investigadores buscan entender cómo partículas energéticas interactúan con este medio. El objetivo es investigar cómo un quark de alta energía atraviesa esta pequeña gota de líquido creada en las colisiones que simulan condiciones del Big Bang.
La teoría prevé que el quark dejaría un rastro detectable en el plasma detrás de él, de manera similar a un barco cortando el agua. Habría desplazamiento del medio hacia adelante y una pequeña caída en el nivel detrás de la trayectoria.
En la práctica, separar la señal del quark del comportamiento del plasma es complejo. La gota es minúscula y la resolución experimental es limitada. En la parte delantera de la trayectoria, la interacción intensa dificulta distinguir señales distintas.
Detrás del quark, sin embargo, el rastro, si está presente, debe ser una propiedad del propio plasma. El equipo concentró esfuerzos en encontrar esta pequeña depresión en la parte posterior de la trayectoria.
Bóson Z como Marcador del Quark
Para aislar el rastro previsto, los físicos utilizaron el bóson Z como partícula compañera del quark. El bóson Z es uno de los portadores de la fuerza nuclear débil, responsable de ciertos procesos de descomposición atómica y subatómica.
En determinadas colisiones, un bóson Z y un quark de alta energía son producidos juntos, retrocediendo en direcciones opuestas. A diferencia de quarks y gluones, el bóson Z casi no interactúa con el plasma de quarks y gluones.
De acuerdo con Chen, en lo que respecta al plasma, el bóson Z simplemente escapa y desaparece. Sale de la zona de colisión prácticamente ileso, proporcionando un indicador preciso de la dirección y energía originales del quark.
Esta configuración permite a los físicos seguir al quark mientras atraviesa el plasma, sin que la partícula compañera haya sido distorsionada por el medio. El bóson Z funciona como un marcador calibrado para analizar alteraciones sutiles.
El equipo midió las correlaciones entre los bósons Z y los hadrones, partículas compuestas de quarks que emergen de la colisión. El análisis se centró en la cantidad de hadrones en la dirección opuesta al movimiento del quark.
Caída Inferior al 1% en la Producción de Partículas
El efecto observado es pequeño. En promedio, en la dirección opuesta al quark, se registró una variación de menos del 1% en la cantidad de plasma. El resultado tomó tiempo para ser demostrado experimentalmente.
Esta supresión inferior al 1% corresponde al tipo de firma esperada cuando un quark transfiere energía y momento al plasma, dejando una región empobrecida en su rastro. El equipo informa ser la primera detección clara de esta caída en eventos marcados con quark Z.
La forma y la profundidad de la depresión contienen información sobre las propiedades del plasma. La analogía presentada compara el comportamiento del medio a agua o miel, dependiendo de la facilidad con que la depresión se llena.
Si el fluido escurre con facilidad, la región detrás del objeto se recompone rápidamente. Si se comporta como miel, la depresión persiste más tiempo. Estudiar esta característica proporciona datos sobre el propio plasma.
Implicaciones para el Universo Después del Big Bang
Las observaciones tienen implicaciones cosmológicas. Se cree que el universo primordial, justo después del Big Bang, estaba lleno de plasma de quarks y gluones antes de enfriarse y formar protones, neutrones y átomos.
Según Chen, esta era no es directamente observable por telescopios, ya que el universo era opaco en ese periodo. Las colisiones de iones pesados ofrecen un pequeño destello de cómo se comportaba el universo.
La caída detectada se describe como solo el comienzo. El trabajo abre un nuevo camino para obtener más información sobre las propiedades del plasma recreado en laboratorio.
Con más datos acumulados, será posible estudiar este efecto con mayor precisión y aprender más sobre el plasma de quarks y gluones que marcó los instantes iniciales del universo después del Big Bang.
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