El plasma del Big Bang

Reconstrucción de una colisión entre iones pesados en el experimento ALICE del LHC. / CERN

Determinada con precisión una propiedad de la materia que existió tras el Big Bang

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La colaboración científica JET, donde participan físicos de la Universidad de Santiago de Compostela, ha medido de forma precisa la microestructura del plasma de quarks y gluones, el estado de la materia que dominó el universo instantes después del Big Bang. El resultado revela a escala microscópica cómo es este fluido, cuyo comportamiento lo hace ser un ‘líquido perfecto’.

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CPAN / Una colaboración internacional donde participan físicos de la Universidad de Santiago de Compostela ha publicado recientemente en Physical Review C la medición más precisa hasta la fecha de una propiedad clave del plasma de quarks y gluones, el estado de la materia que dominó el universo justo después del Big Bang.

Este resultado revela la estructura microscópica de este fluido, un ‘líquido perfecto’ desde el punto de vista de su comportamiento físico. Los resultados se obtuvieron mediante el análisis de datos de las colisiones entre núcleos pesados obtenidos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y el Relativistic Heavy-ion Collider (RHIC) en el Laboratorio de Brookhaven (EE UU).

El resultado revela la estructura microscópica de este fluido, un ‘líquido perfecto’ por su comportamiento físico

La colaboración JET es un grupo de físicos teóricos formado principalmente por miembros de universidades de Estados Unidos donde participan varios miembros asociados, entre ellos Néstor Armesto y Carlos Salgado, de la Universidade de Santiago de Compostela y participantes en el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN). Su objetivo es extraer las propiedades del llamado plasma de quarks y gluones, el estado de la materia instantes después del Big Bang, cuando la temperatura y densidad eran tan altas que no permitían la formación de protones o neutrones, constituyentes del núcleo atómico.

Para ello utilizan los datos de los aceleradores de partículas que reproducen estas condiciones, principalmente el LHC y RHIC, donde se producen colisiones entre iones pesados que generan temperaturas muy superiores a las del interior del Sol. En estas condiciones, los constituyentes de protones y neutrones (quarks) y los gluones (portadores de la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unido el núcleo del átomo) se desgajan, formando esta ‘sopa’ ultradensa llamada plasma.

Sin embargo, cuando se crea el plasma de quarks y gluones en estas colisiones, también se crean partículas muy energéticas que atraviesan el plasma, que los científicos llaman ‘jets’. Los científicos de JET han determinado ahora la propiedad que determina cómo pierden la energía estas partículas, lo que denominan el coeficiente de transporte o jet transport coefficient. “Para ello hace falta un modelo para la pérdida de energía y otro para la evolución del plasma que se ha producido en la colisión: como se expande, enfría y diluye”, explica Néstor Armesto.

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Varios modelos teóricos para analizar el plasma

La colaboración JET ha usado varios modelos teóricos para detallar cómo se comporta este plasma, comparándolos con los datos obtenidos de los experimentos CMS y ALICE del LHC, y PHENIX y STAR de RHIC. El cálculo de la energía perdida por las partículas energéticas o jets en el plasma ofrece pistas de la densidad del fluido y de la intensidad de la interacción entre el fluido y la partícula que lo atraviesa. Caracterizar este sistema es una forma de obtener más información de este estado de la materia.

De esta manera “se han obteniendo los valores más precisos hasta la fecha del coeficiente de transporte a distintas energías”, correspondiendo un aumento de energía con un plasma más caliente. Según Armesto, “los resultados están en consonancia con lo que se espera para el comportamiento del plasma al aumentar la temperatura: que pase muy lentamente de ser un fluido perfecto a uno menos perfecto, o de un líquido a un gas”.

Los expertos consideran este plasma de quarks y gluones el ‘líquido perfecto’ al tener la menor relación de viscosidad-densidad permitida por la mecánica cuántica, lo que significa que fluye sin fricción. Ahora, los científicos de JET incluirán en este sistema los datos del LHC obtenidos a la energía más alta, y de las energías más bajas de RHIC, con lo que esperan perfeccionar el modelo.

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