El último testigo del Big Bang: el quark top revela secretos del origen del universo

La colaboración internacional ATLAS ha registrado la presencia de la partícula elemental más masiva conocida en la materia primordial del universo. Un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones confirmó que los rarísimos quarks top se formaron en los primeros instantes tras el nacimiento del cosmos, cuando la materia existía en forma de un “plasma” subatómico extremadamente caliente.

Toda la materia visible está compuesta por seis tipos de quarks, partículas fundamentales que en condiciones normales están confinadas dentro de protones y neutrones gracias a la poderosa fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, las temperaturas eran tan elevadas que estas partículas, junto con los gluones —portadores de la fuerza fuerte—, formaban un estado exótico de la materia similar a un líquido.

Este estado, llamado plasma de quarks y gluones, existió solo unos diez microsegundos antes de que el universo en expansión se enfriara lo suficiente para formar los primeros núcleos atómicos. Actualmente, los científicos recrean estas condiciones extremas del universo primitivo en varios laboratorios del mundo: en el Colisionador Relativista de Iones Pesados en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE. UU.), en experimentos del CERN (Suiza) y en otros complejos.

Los investigadores estudian las propiedades de este “caldo primordial” mediante diversas técnicas. Una de ellas es la observación de cómo las partículas pierden energía al atravesar el plasma. Este proceso, conocido como “extinción de chorros”, se manifiesta como una reducción en la cantidad de partículas registradas en comparación con las colisiones normales de protones. Otro método consiste en analizar la supresión de los estados ligados de quarks pesados y sus antipartículas, conocidos como quarkonios.

Hasta ahora, los científicos habían logrado detectar en el plasma cinco tipos de quarks con diferentes masas y características. El más pesado —el quark top— permanecía fuera del alcance experimental debido a sus propiedades únicas. Su masa es 40 veces superior a la del siguiente quark más pesado, el quark encanto, y 70.000 veces mayor que la del quark arriba, el más ligero. Además, su vida útil es extremadamente breve: una septillonésima de segundo.

El año pasado, los físicos lograron por primera vez registrar la producción de quarks top en colisiones de protones con núcleos de plomo. Este hito permitió precisar cómo se distribuye el impulso entre los componentes del núcleo atómico a energías extremas. Estas distribuciones están descritas por funciones especiales que son clave en la cromodinámica cuántica, la teoría de la interacción fuerte.

El nuevo experimento fue aún más lejos: por primera vez se observaron pares de quark top y antitop en colisiones entre dos núcleos de plomo. A diferencia de pruebas anteriores, estas colisiones generan un plasma de quarks y gluones de larga duración, lo que complica enormemente la identificación de partículas efímeras.

Los científicos buscaron cascadas características de desintegración: cada par top-antitop produce dos leptones ligeros (un electrón y un muón), dos neutrinos indetectables y dos quarks encanto. El análisis de datos recopilados en 2015 y 2018 alcanzó un nivel de confianza estadística excepcional: cinco sigmas, el estándar de oro para los descubrimientos en física de partículas.

Los resultados obtenidos coinciden con las predicciones teóricas y permiten describir con mayor precisión la estructura de los núcleos atómicos en condiciones de energía extrema. Aún más importante, ahora los expertos tienen pruebas irrefutables de que los seis tipos de quarks estuvieron presentes en la materia primordial del joven universo.

En los próximos años, los físicos planean realizar mediciones más detalladas del comportamiento de los quarks top en el plasma de quarks y gluones. Esto será posible gracias al aumento de la intensidad de colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones. Información adicional sobre la estructura de la materia nuclear llegará también con el futuro colisionador electrón-ion que se construye en EE. UU. La combinación de estos estudios ayudará a construir una imagen más completa de los primeros instantes de existencia de nuestra realidad.