Científicos en Suiza lograron recrear un “mini Big Bang” para estudiar el inicio del cosmos

La física experimental acaba de dar un salto inesperado: un equipo internacional de científicos, con participación destacada de investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, logró recrear en laboratorio la materia que llenó el Universo durante su primera millonésima de segundo.

El experimento para recrear un “mini Big Bang”, realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Suiza, consiguió reproducir una versión en miniatura del evento inicial de la materia utilizando núcleos atómicos mucho más pequeños de lo que se creía posible, lo que abre una vía completamente nueva para indagar el origen y la estructura de la materia.

Durante años, la física de partículas consideró indispensable emplear núcleos pesados, como el plomo, para fundir la materia nuclear en un estado de plasma de quarks y gluones, la “sopa” primordial ultracaliente y densa que existió antes de la formación de los protones y neutrones.

El experimento de la colaboración internacional ALICE, publicado en la revista científica Physical Review Letters, desafió esta ortodoxia al utilizar isótopos ligeros de oxígeno-16 y neón-20.

Las colisiones a velocidades cercanas a la luz demostraron que estos sistemas más pequeños también pueden generar la misma sustancia fundamental, un hallazgo que reconfigura la comprensión sobre los límites mínimos para recrear el “pequeño Big Bang”.

Los secretos de la materia primordial y la sombra de los núcleos

El logro no se reduce a la recreación del plasma. Por primera vez, los físicos lograron observar detalles inéditos sobre la forma y geometría de los núcleos atómicos originales a partir del patrón de movimiento de las partículas generadas tras la colisión. El oxígeno-16, al poseer una estructura esférica, produjo un patrón redondeado, mientras que el neón-20, de geometría más alargada, generó una huella similar a la silueta de un bolo de bolera.

“Hemos superado los límites del tamaño mínimo que pueden tener los núcleos atómicos sin dejar de recrear esta materia primordial, lo que podríamos llamar un pequeño Big Bang”, aseguró el profesor asociado You Zhou, quien lideró el equipo de la Universidad de Copenhague.

El plasma de quarks y gluones (QGP) representa el estado de la materia que predominó en el universo durante sus primeros microsegundos, cuando la temperatura era tan extrema que los quarks y los gluones podían moverse libremente, sin formar protones o neutrones. Con la expansión y el enfriamiento del cosmos, esas partículas se agruparon y dieron origen a la materia ordinaria.

El LHC permite invertir temporalmente ese proceso: al acelerar núcleos a velocidades próximas a la de la luz y hacerlos colisionar, la energía liberada alcanza temperaturas más de 100.000 veces superiores a las del centro del Sol. Así surge, durante una fracción diminuta de tiempo, una gota de QGP que se expande y enfría rápidamente.

El plasma dura tan poco que resulta imposible fotografiarlo directamente. Los físicos, entonces, miden la dirección de las partículas generadas en la cascada posterior al enfriamiento. Esas partículas contienen una “memoria geométrica” de la colisión.

“Es un poco como iluminar un objeto y ver su sombra. No se puede ver el objeto directamente, pero su sombra revela su forma. Del mismo modo, el movimiento de las partículas revela la geometría de los núcleos que estaban presentes al comienzo de la colisión”, explicó Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, investigador posdoctoral y coautor del estudio.

Un nuevo paradigma para la física nuclear y el estudio del universo temprano

Este hallazgo puede modificar la forma en que se estudian los núcleos atómicos. Hasta ahora, la física nuclear se basó en técnicas de baja energía para investigar la estructura de los núcleos.

El experimento ALICE muestra que estrellar núcleos a energías extremas y analizar la expansión del plasma permite reconstruir la forma y organización de los protones y neutrones en aquellos núcleos, aun cuando estos sean mucho más ligeros de lo que se creía viable para formar QGP.

La colaboración internacional, que contó con el apoyo del proyecto ERC InitialConditions, comprobó además que el comportamiento colectivo del plasma se mantiene incluso cuando el volumen de materia creada es mucho menor. Las colisiones de oxígeno y neón revelaron señales inequívocas de QGP, incluyendo la pérdida de energía de partículas al atravesar el medio, uno de los indicadores más relevantes de la formación de este estado.

El experimento deja abierta una pregunta apasionante para la física fundamental: ¿cuál es el sistema más pequeño capaz de convertirse en plasma de quarks y gluones? Durante mucho tiempo se pensó que los iones pesados eran la única opción, pero ahora esa frontera se desplazó.

El equipo de ALICE planteó como siguiente objetivo probar con núcleos aún menores, como el helio-4, para precisar las condiciones mínimas que necesita la materia para atravesar la transición hacia el plasma primordial.

La metodología permite, así, mirar simultáneamente en dos direcciones: hacia dentro, explorando la forma de estructuras de apenas femtómetros, y hacia atrás en el tiempo, casi 13.800 millones de años, hasta el momento en que los protones y neutrones todavía no podían existir como los conocemos.

“El movimiento de las partículas revela la geometría de los núcleos que estaban presentes al comienzo de la colisión”, reiteró el equipo en su publicación.

El trabajo de ALICE abre una puerta a la investigación de núcleos cuya arquitectura sigue siendo un enigma y proporciona una herramienta poderosa para avanzar en el conocimiento de la cromodinámica cuántica.

Al comparar colisiones entre diferentes sistemas ligeros, los científicos lograron reducir la influencia de otros factores y aislaron los efectos de la estructura nuclear inicial. Este enfoque acerca a la ciencia a descifrar las reglas que rigieron el caos inicial del universo.

La frontera de lo posible en física de partículas

El avance logrado en el LHC tiene implicancias directas en el estudio del universo temprano y en la física de altas energías. La posibilidad de generar QGP en sistemas cada vez más pequeños permite a los investigadores acercarse a las condiciones mínimas necesarias para recrear el estado primordial que precedió la formación de la materia tal como se conoce.

La colaboración ALICE continuará explorando la frontera del tamaño crítico y la transición de fase de la materia, con la meta de determinar el punto exacto en el que el plasma de quarks y gluones deja de formarse. De lograrlo, los científicos contarán con una herramienta sin precedentes para investigar tanto la estructura interna de los núcleos como las leyes que rigieron el universo naciente.

El experimento también refuerza la idea de que los núcleos ligeros tuvieron un papel más relevante en los primeros instantes del cosmos de lo que la física suponía. Al comprobar que el plasma puede formarse a partir de colisiones de oxígeno y neón, y que la huella de la colisión conserva la geometría original del núcleo, los investigadores suman una pieza fundamental para reconstruir la historia de la materia y el surgimiento de las estructuras complejas.

El próximo paso será determinar hasta qué punto se puede “encoger” el Big Bang de laboratorio sin perder el comportamiento colectivo del plasma. Si los experimentos futuros con helio-4 y otros núcleos aún más pequeños confirman la formación de QGP, la ciencia se acercará a precisar qué condiciones mínimas necesita la materia para atravesar esa transición.

La posibilidad de utilizar el plasma como un lente para revelar la estructura nuclear representa un cambio de paradigma en la física experimental. La conexión entre la física de altísimas energías y los estudios tradicionales de estructura nuclear podría ofrecer pistas para comprender fenómenos aún sin resolver y ampliar las fronteras del conocimiento sobre el origen y la evolución del universo.