Un equipo internacional de científicos ha publicado un nuevo informe que avanza hacia una mejor comprensión del comportamiento de algunas de las partículas más pesadas del universo en condiciones extremas, que son similares a las que había justo después de la explosión del
big bang. La investigación, publicada la revista
Physics Reports, la firman los físicos Juan M. Torres-Rincón, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), Santosh K. Das, del Instituto Indio de Tecnología Goa (India), y Ralf Rapp, de la Universidad A&M de Texas (Estados Unidos).
Los autores han publicado una revisión exhaustiva que explora cómo interactúan las partículas que contienen cuarks pesados (conocidas como hadrones con encanto o charm y fondo o bottom) en un entorno caliente y denso llamado materia hadrónica. Este entorno se crea en la última fase de colisiones de alta energía de núcleos atómicos, como las que tienen lugar en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC). El nuevo estudio destaca la importancia de incluir las interacciones hadrónicas en las simulaciones, para poder interpretar con precisión los datos de los experimentos en estas grandes infraestructuras científicas.
La nueva investigación amplía la perspectiva sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas y ayuda a resolver algunas de las grandes incógnitas sobre el origen del universo.
Reproducir el universo primordial
Cuando dos núcleos atómicos chocan a velocidades cercanas a la luz, generan temperaturas más de cien mil veces superiores a las del centro del Sol. Estas colisiones producen brevemente un estado de la materia denominado plasma de cuarks y gluones (QGP), una sopa de partículas fundamentales que existía microsegundos después del big bang. A medida que este plasma se enfría, se transforma en materia hadrónica, una fase compuesta por partículas tales como protones y neutrones, así como otros bariones y mesones.
El estudio se centra en qué ocurre con los hadrones de sabor pesado (partículas que contienen cuarks encantados o de fondo, como los mesones D y B) durante esta transición y en la expansión de la fase hadrónica que la sigue.
Partículas pesadas como sondas
Los cuarks pesados son como pequeños sensores. Al ser tan masivos, se producen justo después de la colisión nuclear inicial y se mueven más lentamente, interactuando así de manera diferente con la materia circundante. Conocer cómo se dispersan y difunden es clave para aprender sobre las propiedades del medio por el que viajan.
Los investigadores han revisado una amplia gama de modelos teóricos y datos experimentales para entender cómo interactúan los hadrones pesados, como los mesones D y B, con partículas ligeras en la fase hadrónica. También han examinado cómo estas interacciones afectan a cantidades observables como el flujo de partículas y la pérdida de momento.
«Para entender realmente lo que vemos en los experimentos es crucial observar cómo se mueven e interactúan las partículas pesadas también durante las etapas posteriores de estas colisiones nucleares», detalla Juan M. Torres-Rincón, miembro del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica y del ICCUB.
«Aquesta fase, quan el sistema ja s’ha refredat, encara té un paper important en la manera com les partícules perden
«Esta fase, cuando el sistema ya se ha enfriado, todavía tiene un papel importante en la forma en que las partículas pierden energía y fluyen conjuntamente. También es necesario abordar las propiedades microscópicas y de transporte de estos sistemas pesados justo en el punto de transición hacia el plasma de cuarks y gluones», continúa. «Esta es la única forma de alcanzar el grado de precisión que exigen los experimentos y simulaciones actuales».
Para entender mejor estos resultados se puede utilizar una analogía sencilla: cuando dejamos caer una bola pesada en una piscina llena de gente, incluso después de que las olas más grandes se hayan disipado, la bola sigue desplazándose y chocando con las personas. De forma similar, las partículas pesadas creadas en colisiones nucleares siguen interactuando con otras partículas a su alrededor, incluso después de la fase más caliente y caótica. Estas interacciones continuas modifican sutilmente el movimiento de las partículas, y estudiar estos cambios ayuda a los científicos a entender mejor las condiciones del universo primigenio. Ignorar esta fase implicaría, en consecuencia, perder una parte importante de la historia.
Una mirada hacia el futuro
Entender cómo se comportan las partículas pesadas en materia caliente es fundamental para cartografiar las propiedades del universo primigenio y las fuerzas fundamentales que lo rigen. Los hallazgos también abren el camino para futuros experimentos en energías más bajas, como los previstos en el Supersincrotrón de Protones (SPS) del CERN y en la futura instalación FAIR en Darmstadt (Alemania).