En el corazón del Laboratorio Nacional de Brookhaven, un colosal detector de partículas llamado sPHENIX ha superado con éxito una prueba crucial, confirmando su preparación para adentrarse en los momentos más tempranos de la existencia de nuestro universo. Este gigante tecnológico, del tamaño de un edificio de dos pisos y con un peso de unas 1000 toneladas, está diseñado con un único objetivo: estudiar el misterioso estado de la materia conocido como plasma de quarks-gluones (QGP), que se cree que llenó el universo en los primeros microsegundos después del Big Bang.

Esta exitosa prueba, descrita como una verificación mediante una "candela estándar", representa un hito para toda la colaboración científica, que reúne a más de 300 científicos de todo el mundo. Se ha confirmado que sPHENIX funciona según las más altas especificaciones y que ahora está listo para comenzar su misión principal: desvelar los secretos de la materia en su forma más fundamental y extrema.

La sopa primordial: una inmersión en el plasma de quarks-gluones

Para comprender la importancia del detector sPHENIX, debemos retroceder casi 13,8 mil millones de años, al instante inmediatamente posterior al Big Bang. En esa ventana de tiempo infinitesimalmente corta, el universo era inimaginablemente caliente y denso. Las temperaturas alcanzaban varios billones de grados Celsius, demasiado caliente para que se formaran partículas estables como los protones y los neutrones que hoy componen los núcleos de los átomos.

En su lugar, el universo estaba lleno de una "sopa" caliente y densa de partículas fundamentales –quarks y gluones– que se movían libremente. A este estado de la materia lo llamamos plasma de quarks-gluones. Los quarks son los componentes básicos de los protones y los neutrones, mientras que los gluones son las partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte, la fuerza que "pega" a los quarks. En las condiciones del QGP, este enlace se rompía y las partículas quedaban liberadas.

Sin embargo, este estado exótico fue extremadamente breve. A medida que el universo se expandía y enfriaba, los quarks y gluones se combinaron casi instantáneamente, en aproximadamente 10^-22 segundos (una cienmilésima de sextillonésima de segundo), en protones y neutrones, formando así la materia tal como la conocemos hoy. Los científicos nunca pueden observar directamente el QGP; desaparece en un instante. En su lugar, estudian las "cenizas" –las partículas que surgen de su desintegración– para reconstruir sus propiedades. Uno de los descubrimientos más fascinantes es que el QGP se comporta como un "líquido perfecto", lo que significa que fluye casi sin fricción ni viscosidad, como una entidad única, en lugar de como un gas caótico de partículas como se pensaba inicialmente.

Una cámara 3D gigante para los primeros instantes del universo

Para recrear condiciones similares a las posteriores al Big Bang, los científicos utilizan potentes aceleradores de partículas. En el Laboratorio Nacional de Brookhaven se encuentra uno de los dispositivos de este tipo más importantes del mundo: el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC). El RHIC es un acelerador circular de 3,8 kilómetros de circunferencia que acelera iones pesados, como los núcleos de los átomos de oro, a velocidades cercanas a la de la luz.

Estos haces de iones circulan en direcciones opuestas dentro del acelerador y, en ciertos puntos, sus trayectorias se cruzan. En una de estas intersecciones se encuentra el detector sPHENIX. Cuando los iones de oro chocan a velocidades tan enormes, se libera una inmensa cantidad de energía que crea durante una fracción de segundo una diminuta gota de plasma de quarks-gluones. Esa gota se desintegra inmediatamente en una cascada de miles de otras partículas que se dispersan en todas direcciones.

Ahí es donde entra en escena sPHENIX. Funciona como una cámara 3D gigante y ultrarrápida. Sus capas de detectores, que incluyen calorímetros hadrónicos externos e internos, un calorímetro electromagnético y sistemas avanzados de seguimiento de trayectorias, están diseñadas para capturar y medir la energía, la dirección y la identidad de cada partícula que surge de la colisión. El detector es capaz de registrar y procesar datos de unas increíbles 15.000 colisiones por segundo. En el corazón del detector se encuentra también un componente clave, el subdetector MVTX (micro-vértice), diseñado y construido por científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que ha mejorado significativamente la precisión en el seguimiento de partículas.

Examen de madurez superado: Calibración con una "candela estándar"

Antes de que sPHENIX pudiera comenzar su búsqueda de nuevos descubrimientos, tenía que demostrar que funcionaba a la perfección. Para ello, los científicos llevaron a cabo una prueba utilizando un método conocido en física como "candela estándar". Se trata de una medida bien conocida y establecida cuyo resultado se conoce de antemano, y se utiliza para calibrar y verificar la precisión de un instrumento.

Durante la fase inicial de operación a finales del año pasado, que duró tres semanas, el RHIC colisionó haces de iones de oro, y sPHENIX recopiló datos diligentemente. El equipo científico, cuyos resultados se publicaron en la revista Journal of High Energy Physics, analizó el número y la energía de las partículas cargadas producidas en estas colisiones. Una parte clave de la prueba fue comprobar si el detector podía distinguir entre diferentes tipos de colisiones: desde colisiones directas, "frontales", hasta aquellas en las que los iones solo se "rozan".

Los resultados fueron extraordinarios y confirmaron las predicciones teóricas. El detector midió con precisión que las colisiones frontales producen 10 veces más partículas cargadas, que a su vez tenían 10 veces más energía en comparación con las colisiones periféricas. "Esto demuestra claramente que el detector funciona como estaba previsto", declaró Hao-Ren Jheng, estudiante de física en el MIT y uno de los autores principales del estudio. Gunther Roland, profesor de física en el MIT, describió este éxito de forma gráfica: "Es como si hubieras enviado al espacio un nuevo telescopio en cuya construcción has trabajado durante diez años, y toma su primera imagen. Puede que no sea la imagen de algo completamente nuevo, pero demuestra que ahora está listo para empezar a hacer ciencia de verdad".

Desvelando los secretos del universo más primitivo

Con la confirmación de que sPHENIX está operativo y es excepcionalmente preciso, la verdadera aventura científica no ha hecho más que empezar. Los científicos ya han comenzado nuevos ciclos de colisiones de partículas y se espera que la recopilación de datos continúe durante varios meses más. Con la ingente cantidad de datos que sPHENIX recogerá, el equipo podrá investigar procesos extremadamente raros, eventos que pueden ocurrir una vez en mil millones de colisiones.

Son precisamente estos eventos raros los que podrían proporcionar conocimientos cruciales sobre las propiedades fundamentales del plasma de quarks-gluones y del universo. El objetivo es responder a preguntas como: ¿Cuál es la densidad exacta del QGP? ¿Cómo se mueven (difunden) las partículas a través de esta materia ultradensa? ¿Cuánta energía se necesita para unir diferentes tipos de quarks? Las respuestas a estas preguntas no solo nos ayudarán a reconstruir las condiciones que prevalecieron en los primeros instantes después del Big Bang, sino que también profundizarán nuestra comprensión de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que gobiernan el universo.

El funcionamiento del detector sPHENIX representa la culminación de décadas de desarrollo de tecnología de detectores y se basa en el legado de su predecesor, el experimento PHENIX. La capacidad de recopilar datos a una velocidad y precisión sin precedentes abre una ventana completamente nueva al mundo de las partículas subatómicas y los fenómenos que han dado forma a todo lo que vemos a nuestro alrededor hoy en día.