Los quarks dejan un “rastro” en los océanos primordiales del universo: el CMS y el MIT aportan la evidencia más clara de que el plasma de quarks y gluones se comporta como un líquido
En los primeros microsegundos después del Big Bang, el universo no estaba lleno de átomos, estrellas ni siquiera de protones y neutrones, sino de una mezcla extremadamente caliente y densa de quarks y gluones. Esta fase, conocida como plasma de quarks y gluones (QGP), se considera la forma más temprana de materia: existió brevemente mientras el universo se enfriaba y luego los quarks y gluones se “encerraron” en hadrones, los bloques de construcción de la materia actual. Precisamente por eso el QGP es uno de los pocos vínculos entre la física de partículas fundamental y la cosmología; las mismas leyes pueden probarse en el laboratorio y luego incorporarse a la imagen más amplia de cómo se desarrolló la estructura del universo a partir de su estado inicial.
Colisiones de iones de plomo como ventana al universo más primitivo
Para entender esta “receta” inicial, los físicos del CERN en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) hacen colisionar iones pesados —con mayor frecuencia núcleos de plomo— a velocidades cercanas a la de la luz. En estas colisiones, durante una fracción de fracción de segundo, se crea una gota de QGP con temperaturas que se miden en billones de grados. Aunque dura un tiempo extremadamente corto, los rastros de su comportamiento quedan registrados en la distribución de las partículas que salen disparadas de la colisión y son registradas por detectores como el CMS (Compact Muon Solenoid). Los análisis se basan en que la estadística de un gran número de colisiones, junto con una reconstrucción precisa de trayectorias y energías, permite extraer del ruido de los eventos un patrón estable: una especie de “fotografía” del estado más exótico de la materia que podemos producir hoy.
Debate de larga data: ¿dispersión de partículas o flujo colectivo?
Una de las cuestiones clave en la física de las interacciones fuertes era cómo reacciona el QGP cuando una partícula “dura” de alta energía, por ejemplo un quark que se produce en la colisión, vuela a través de él. Si el QGP se comporta como un conjunto de partículas débilmente conectadas, el paso del quark debería parecer una serie de colisiones y dispersiones aleatorias, sin un patrón ordenado en las partículas “blandas” de bajo impulso. Pero si el QGP es realmente un fluido colectivo, casi “perfecto”, con muy baja viscosidad, entonces el paso del quark debería provocar una respuesta similar a una ola o una estela (wake): la energía que pierde el quark arrastra al medio circundante y se convierte en un flujo organizado y perturbaciones de densidad que se propagan como olas en el agua.
Precisamente esa estela hidrodinámica es lo que los físicos han intentado capturar en los datos durante años, pero la señal a menudo se perdía en el fondo de otros procesos. El problema clave era que los quarks se crean típicamente en pares con una antipartícula: cuando un chorro va en una dirección, el otro va en la dirección opuesta, y sus rastros en una colisión compleja pueden superponerse entre sí. Para obtener un caso “limpio” de un solo chorro y un solo paso claro a través del medio, era necesario encontrar un evento en el que la dirección del quark pudiera marcarse sin crear una “pareja” que ensombreciera la imagen.
Por qué el bosón Z es clave: “etiqueta neutral” sin impacto en el medio
Un equipo internacional dentro de la colaboración CMS, en el que físicos del MIT desempeñan un papel importante, se centró en una firma rara pero muy limpia: eventos en los que se producen un bosón Z y un quark de alta energía en la misma colisión. El bosón Z es una partícula neutra de interacción débil que atraviesa el QGP prácticamente sin obstáculos, sin dejar su propia “ola”. Esto lo convierte en una “etiqueta” (tag) ideal que muestra dónde se originó el chorro de quarks de alta energía en el evento, mientras que al mismo tiempo no nubla la imagen del medio.
La lógica es simple: el bosón Z y el quark se producen “espalda con espalda”, en direcciones opuestas. La dirección del bosón Z proporciona un vector preciso según el cual se puede definir el sistema de coordenadas del análisis. Todo lo que sucede en el QGP en el lado opuesto, por donde pasa el quark y su chorro, puede atribuirse en gran medida precisamente a la interacción del quark con el medio. En la práctica, esto significa observar las distribuciones de carga y energía de las partículas de bajo impulso transversal en relación con el ángulo y la pseudorrapidez hacia el bosón Z, y compararlas con situaciones de referencia en las que el QGP no está presente.
De 13.000 millones de colisiones a unos 2.000 eventos “dorados”
En el análisis de los datos recopilados en colisiones de iones pesados, el equipo de CMS buscó entre unos 13.000 millones de eventos e identificó aproximadamente 2.000 casos con un bosón Z que cumple con los estrictos criterios de alto impulso transversal, en el rango de 40 a 350 GeV. El análisis se basó en los datos de colisiones PbPb recopilados en 2018 a una energía de colisión por par de nucleones de 5,02 TeV, con una luminosidad integrada de aproximadamente 1,67 nb⁻¹, y en datos comparativos de pp de 2017 a la misma energía (unos 301 pb⁻¹). Tras la selección de eventos, los investigadores “tradujeron” cada colisión en un mapa de distribución de partículas de bajo pT en relación con la dirección del bosón Z, buscando asimetrías que fueran la firma de la respuesta del medio al paso del chorro.
El resultado es un patrón que los físicos describen como una modificación consistente de las distribuciones en el lado opuesto al bosón Z: aparecen simultáneamente aumentos y agotamientos en ciertas áreas angulares, lo que corresponde a la imagen del “arrastre” del medio y la creación de áreas de déficit (hole) y exceso (recoil) de partículas. En los resultados preliminares del CMS publicados el 9 de octubre de 2024, se destacó que en las colisiones PbPb se observa un cambio significativo en las distribuciones azimutales y de pseudorrapidez en relación con la referencia pp, precisamente en el área de bajo pT alrededor de 1–2 GeV. En la versión final, revisada por pares y publicada como una carta en la revista Physics Letters B, el énfasis se puso en la interpretación: los patrones observados son consistentes con una “estela” hidrodinámica que ocurre cuando un chorro agota la energía del plasma de quarks y gluones, y el medio luego responde colectivamente.
Qué significa realmente una “ola” en el plasma de quarks y gluones
En un líquido clásico, una ola ocurre porque se rompe el equilibrio: un cuerpo en movimiento empuja al medio circundante, creando áreas de exceso y déficit de densidad, y luego la perturbación se propaga y se atenúa. En el QGP la imagen es cuántica y relativista, pero la analogía es útil: un quark o chorro pierde energía e impulso en el medio, y el QGP responde a esto con un flujo colectivo y una redistribución de la energía en partículas “blandas” de bajo impulso. Es precisamente en este sector blando —que tradicionalmente es difícil de vincular a una partícula “dura” específica— donde se busca la prueba de que el plasma no reacciona al azar, sino como un todo.
En el propio trabajo del CMS se enfatiza que las correlaciones observadas están en línea con las expectativas de una estela hidrodinámica: cuando el chorro “extrae” energía del plasma, queda un área de agotamiento detrás de él, mientras que parte del medio se acelera y se “empuja” en otras direcciones, creando un exceso de partículas de bajo pT en ángulos característicos. En la práctica, esto parece un patrón complejo de “salpicaduras” y “remolinos” en las distribuciones, pero el mensaje clave es simple: la reacción no es aleatoria, sino colectiva y fluida. En otras palabras, el QGP no se comporta como una nube diluida de partículas, sino como un estado denso en el que las perturbaciones se propagan a través del medio y dejan una huella reconocible.
Modelos híbridos y por qué los datos coinciden con la teoría
La importancia del resultado no es solo que se observó la señal, sino también que se puede poner en relación directa con las predicciones teóricas. En las descripciones del QGP hoy en día a menudo se combinan dos mundos: una descripción cuántica de los chorros (parton showers) que se producen en una colisión dura y una descripción hidrodinámica del medio que se comporta como un líquido. Tales enfoques “híbridos” permiten que la energía perdida del chorro no se trate como desaparecida, sino como algo que termina en el flujo colectivo del QGP. En la versión arXiv del trabajo y en la carta publicada se destaca que las modificaciones observadas son compatibles con las expectativas de precisamente tales modelos, que predicen la existencia simultánea de un “agujero” en la dirección del chorro y una “respuesta” del medio a través del refuerzo de las partículas blandas.
Los físicos advierten que se trata de la primera evidencia en este canal de medición específico: correlaciones del bosón Z con hadrones blandos en colisiones de iones pesados. La fuerza del método es que el bosón Z actúa como un “testigo silencioso” del evento, por lo que a partir de él se puede reconstruir con mayor precisión la dirección y energía del chorro que pasó por el plasma, sin contaminación adicional de la señal. Tal enfoque reduce las ambigüedades que plagaron los intentos anteriores de emparejar dos chorros opuestos, donde era difícil separar “quién ensombreció el rastro de quién”.
Por qué esto es importante para la imagen más amplia del universo primitivo
Si bien el QGP se ha descrito durante mucho tiempo como un medio que se comporta como un líquido casi “perfecto”, demostrar una respuesta colectiva a una sola partícula de alta energía tiene un peso adicional. Tales mediciones proporcionan acceso a las propiedades de transporte del plasma: con qué eficiencia transfiere energía e impulso, con qué rapidez se atenúa una perturbación y cómo se distribuye la energía en el espacio y el tiempo. Estos son parámetros que respaldan conceptos como la viscosidad y la difusión, y en las condiciones extremas del QGP, son clave para comprender cómo los procesos “duros” (formación de chorros) se entrelazan con el comportamiento colectivo “blando” del medio.
En un sentido más amplio, esto también es una prueba de la imagen del universo primitivo. Según las revisiones del CERN sobre la historia y el programa de iones pesados, el plasma de quarks y gluones dominó el universo menos de diez microsegundos después del Big Bang. Durante este período, la materia estaba tan caliente y densa que los quarks y los gluones no podían estar ligados en protones y neutrones. Si el QGP realmente se comportaba como un líquido entonces, su dinámica colectiva podría haber influido en la forma en que se redistribuyeron la energía y la densidad mientras el universo se enfriaba y pasaba a la fase hadrónica. Las mediciones actuales no “reconstruyen” directamente el curso cosmológico, pero prueban directamente la física que debe haber actuado en él.
Qué sigue: “mapeo” más preciso de la estela en el plasma
Los autores enfatizan que el método con el bosón Z abre la puerta a análisis más sistemáticos. Al aumentar el tamaño de la muestra y analizar diferentes clases de centralidad de colisión, es posible determinar con mayor precisión la geometría y el “espesor” del medio a través del cual pasa el chorro. Al comparar con simulaciones, se podrá estimar con qué rapidez se propaga la estela, cuánto tiempo persiste antes de “nivelarse” en el ruido de las partículas y cómo depende de la energía y el tipo de partón inicial. Desde el punto de vista práctico, este es un camino hacia una determinación más precisa de las propiedades del QGP de una manera que sea robusta ante las incertidumbres experimentales y teóricas, ya que se basa en una partícula (el bosón Z) que está extremadamente bien “calibrada” y es poco sensible al medio.
Para el público fuera del estrecho círculo de expertos, el mensaje principal está claro: el laboratorio muestra cada vez de forma más convincente que la “sopa primordial” del universo era realmente una sopa: un medio que fluye y reacciona como un todo. Cuando un quark atraviesa esa gota creada en una colisión de plomo, puede dejar tras de sí un rastro que se lee como una ola en el agua, solo que a una escala donde las temperaturas, densidades y velocidades están fuera de la experiencia cotidiana, y las conclusiones se extraen de patrones estadísticos precisos de miles de millones de colisiones.
Fuentes:- Physics Letters B – carta de acceso abierto de la colaboración CMS sobre las correlaciones entre el bosón Z y hadrones y la evidencia de la energía inducida por la sonda y la respuesta del medio (enlace)
- arXiv – preimpresión CMS-HIN-23-006 (arXiv:2507.09307) con la descripción de la medición e interpretación de la señal de estela hidrodinámica (enlace)
- CMS Public Results – resultado preliminar HIN-23-006 (9 de octubre de 2024) y resumen de las modificaciones observadas en colisiones PbPb (enlace)
- CERN – descripción general “CERN70: Tasting the primordial soup” sobre el plasma de quarks y gluones y el universo primitivo (enlace)
- U.S. Department of Energy – “The Big Questions: Barbara Jacak on the Quark-Gluon Plasma” sobre el propósito y los métodos de creación del QGP en el laboratorio (enlace)
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