Colisiones de oxígeno y neón recrean la materia primordial del Universo

Investigadores e investigadoras del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, junto con científicos/as de la colaboración internacional ALICE, han logrado recrear en el CERN plasma de quarks y gluones mediante colisiones de núcleos de oxígeno–16 y neón–20 a casi la velocidad de la luz. Los experimentos, realizados para comprender las condiciones que prevalecieron durante los primeros instantes del Universo, muestran que esta materia primordial puede formarse a partir de núcleos atómicos mucho más pequeños de lo que se creía necesario.

Recrear el Universo primitivo

El plasma de quarks y gluones es un estado extremadamente caliente y denso de la materia que, según explican los investigadores/investigadoras, llenaba el Universo durante su primera millonésima de segundo. En ese momento, las temperaturas eran tan elevadas que todavía no se habían formado protones y neutrones y sus componentes básicos –los quarks y los gluones– se desplazaban libremente.

Los físicos del CERN, en Suiza, intentan reproducir algunas de aquellas condiciones extremas mediante colisiones de núcleos atómicos a velocidades próximas a la de la luz. Como resultado se generan diminutas gotas de plasma de quarks y gluones que existen únicamente durante una fracción minúscula de segundo antes de transformarse en otras partículas.

Durante años, los científicos habían supuesto que para producir este estado primordial de la materia eran necesarias colisiones entre núcleos atómicos muy pesados, como los del plomo. Sin embargo, los nuevos experimentos muestran que también es posible conseguirlo utilizando núcleos considerablemente más pequeños.

El equipo encabezado por el profesor asociado You Zhou ha empleado núcleos de oxígeno–16 y neón–20, ampliando así el conocimiento sobre las condiciones mínimas necesarias para que la materia experimente esta transformación extrema. Zhou considera que los resultados permiten avanzar en la comprensión de cómo se comportó el plasma durante los primeros instantes del Universo y de qué manera evolucionó después hacia las formas de materia actuales.

Los resultados, obtenidos dentro del experimento internacional ALICE, se han publicado en la revista científica Physical Review Letters ⁽¹⁾. Los investigadores/investigadoras consideran que estos ensayos permiten acercarse tanto al estudio del Universo primitivo como a cuestiones fundamentales sobre la propia estructura de los núcleos atómicos.

La geometría deja su huella

Cuando dos núcleos atómicos colisionan, sus componentes se convierten temporalmente en una pequeña gota de plasma de quarks y gluones extremadamente caliente. Esta materia se expande y desaparece rápidamente, por lo que los investigadores/investigadoras no pueden observarla directamente.

En cambio, los científicos analizan las partículas producidas inmediatamente después de la colisión. Su patrón de movimiento conserva información sobre el plasma y, según han comprobado en estos experimentos, también sobre la geometría que tenían inicialmente los núcleos atómicos implicados.

Las colisiones entre dos núcleos de oxígeno generan un patrón de partículas más redondeado, mientras que las colisiones en las que participa el neón producen una distribución asociada a una forma similar a la de un bolo. Esta diferencia permite relacionar directamente el movimiento final de las partículas con la estructura geométrica original de los núcleos.

El investigador postdoctoral Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, del Instituto Niels Bohr y coautor del trabajo, explica que las partículas surgidas de esta materia primordial están directamente condicionadas por la forma de los núcleos. De esta manera, núcleos con geometrías diferentes dejan huellas distintas después de la colisión.

Nielsen compara el procedimiento con iluminar un objeto y estudiar su sombra. Aunque el objeto no pueda verse directamente, su sombra permite conocer determinadas características de su forma. De un modo parecido, los científicos utilizan el movimiento de las partículas producidas tras las colisiones para deducir la geometría inicial de los núcleos atómicos.

Este método puede proporcionar información nuclear que, según los investigadores/investigadoras, resulta difícil de obtener mediante otros procedimientos. De este modo, las colisiones de muy alta energía sirven simultáneamente para investigar el plasma de quarks y gluones y para estudiar cómo están organizados protones y neutrones dentro de los núcleos.

Una nueva vía nuclear

El estudio de la forma y estructura de los núcleos atómicos cuenta con una larga tradición en el Instituto Niels Bohr. Esta línea de investigación se remonta a más de siete décadas y está vinculada al trabajo de Aage Bohr, que recibió el Premio Nobel de Física en 1975 por sus investigaciones sobre la estructura nuclear.

La geometría de un núcleo no representa únicamente una cuestión de forma. También revela cómo se organizan protones y neutrones y aporta información sobre la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y uno de los ámbitos que los físicos continúan intentando comprender con mayor precisión.

Hasta ahora, buena parte de los estudios sobre estructura nuclear se habían realizado a bajas energías, por ejemplo mediante el análisis de las rotaciones y vibraciones de los núcleos. El nuevo enfoque, en cambio, utiliza colisiones a las energías más elevadas que pueden generar los investigadores/investigadoras para reconstruir la forma nuclear a partir de las partículas resultantes.

You Zhou señala que una comprensión precisa de la estructura de los núcleos contribuye a profundizar en el conocimiento de la fuerza nuclear fuerte. La diferencia es que, en lugar de observar cuidadosamente los núcleos a bajas energías, los investigadores/investigadoras los hacen colisionar y deducen posteriormente su geometría mediante la huella dejada por esas interacciones.

Los científicos consideran que este procedimiento podría convertirse en un cambio de paradigma si continúa desarrollándose. El método ofrecería una nueva vía para investigar otros núcleos atómicos cuyas estructuras todavía no se comprenden completamente y permitiría abordar simultáneamente cuestiones relacionadas con la física nuclear y con las primeras etapas del Universo.

Sin embargo, el equipo todavía desconoce cuál es el límite exacto de tamaño a partir del cual deja de ser posible crear plasma de quarks y gluones. El siguiente paso de la investigación será, por tanto, experimentar con núcleos todavía más ligeros, entre ellos el helio–4.

Los investigadores/investigadoras pretenden determinar hasta qué punto pueden reducirse los núcleos utilizados sin perder la capacidad de generar este estado primordial. Alcanzar ese límite aportaría nuevos datos sobre las condiciones fundamentales necesarias para formar plasma de quarks y gluones.

El interés del experimento reside precisamente en que permite abordar dos preguntas que inicialmente pueden parecer muy diferentes. Por una parte, ofrece información sobre la estructura interna de los núcleos atómicos y la fuerza que mantiene unidos sus componentes. Por otra, ayuda a reconstruir las propiedades de la materia que existió durante el nacimiento del Universo.

En aquellos primeros instantes, los quarks y gluones se desplazaban libremente en una materia extremadamente caliente. A medida que el Universo se expandió y se enfrió, ambos componentes comenzaron a unirse hasta formar, entre otras partículas, protones y neutrones, que posteriormente dieron lugar a los núcleos atómicos y a la materia ordinaria.

Para You Zhou, la posibilidad de utilizar un mismo experimento para estudiar tanto la estructura nuclear como las condiciones del Universo temprano demuestra que ambos campos están estrechamente relacionados. Las nuevas colisiones con oxígeno y neón amplían ahora el rango de núcleos capaces de producir estos pequeños Big Bangs de laboratorio.