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Física

Durante los primeros instantes

Mediante un experimento que reproduce los momentos iniciales del Universo, un equipo internacional explica el comportamiento de las partículas

RHIC/BNLEl encontronazo entre núcleos atómicos de elemento químico oro se produce al 99,995% de la velocidad de la luz, con una violencia suficiente como para producir temperaturas centenas de miles de veces más altas que las de la capa externa del Sol en una zona del espacio mucho menor que la punta de una aguja. Ésa es una de las situaciones más extremas que los físicos logran crear en laboratorio, similar a la que habría existido fracciones de segundo después del Big Bang, la explosión que originó el Universo hace 13.700 millones de años. Si bien son capaces de reproducir condiciones tan energéticas, los físicos no comprenden aún muy bien por qué las partículas que surgen de esa colisión se esparcen del modo que registran sus equipamientos. O mejor dicho, no lo comprendían. En la edición del 25 de enero de Physical Review Letters, un artículo firmado por un grupo internacional en el cual tomó parte un investigador del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) de Río de Janeiro, empezó a develar el misterio.

Impulsadas a velocidades cercanas a la de la luz, las 79 partículas de carga positiva (protones) y las 79 partículas neutras (neutrones) del núcleo de oro alcanzan un nivel de energía tan elevado que las hace pulverizarse en partículas aún menores y más elementales: los quarks y los gluones. Antes aprisionados, los quarks y los gluones empiezan a moverse libremente en una nube de partículas a la que los físicos denominan plasma, el cuarto estado de la materia (los otros tres son el sólido, el líquido y el gaseoso). Cuando dos nubes que viajan en sentido opuesto se encuentran, los quarks y los gluones se chocan y se aniquilan, pero enseguida se regeneraran.

Como el ave fénix
Con todo, en este proceso de muerte y renacimiento subatómico, la cantidad de partículas elementales aniquiladas no siempre es igual a la de las que se crean al instante siguiente. En diversas oportunidades, la colisión de un quark con un gluón (o de un quark con otro quark o de un gluón con otro gluón) hace surgir tres partículas elementales y no dos. A medida que las partículas elementares recién nacidas se separan luego del choque, el plasma se enfría y los quarks y los gluones libres se vuelven a unir formando partículas más grandes, como los protones y los neutrones. Debido a que los aparatos no detectan quarks ni gluones, lo que los físicos ven son señales indirectas de lo que sucedió en el interior del plasma.

En los experimentos del Colisionador Relativístico de Iones Pesados (Rhic), el acelerador de partículas del Laboratorio Nacional Brookhaven, Estados Unidos, los físicos solían observar resultados distintos a los esperados. Cuando arrojaban núcleos pesados como los de oro unos contra otros, detectaban señales de que tres partículas elementales se habían generado en el interior del plasma a una frecuencia mayor que la que predecía la teoría y que la que observaban en las colisiones de núcleos de hidrógeno, más livianos, formados por un solo protón.

En colaboración con físicos de México y Estados Unidos, Javier Magnin, del CBPF, analizó estos resultados y arribó a una explicación bastante plausible. “La posibilidad de generar dos o tres partículas elementales es la misma tanto en el choque de núcleos livianos como en el de los pesados”, dice Magnin. “En las colisiones de oro encontramos más a menudo señales de la producción de tres partículas debido a una cuestión de geometría”, explica.

El motivo de esto es más simple de lo que podría imaginarse y se relaciona con el trayecto que las partículas elementales recorren en el interior del plasma. En los eventos que generan tres partículas elementales, una de éstas siempre recorre una distancia menor que el camino que atraviesan las surgidas en choques que dan origen a dos partículas hasta escapar del plasma y generar una partícula detectable.

Según los físicos, este tipo de experimentos puede ayudar a comprender qué sucedió enseguida después del Big Bang, cuando un plasma ultracaliente y denso de quarks y gluones ocupaba todo el Universo. “Aún no sabemos cómo evoluciona el plasma y se transforma en un gas de partículas, por ejemplo”, comenta Magnin.

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