Trillones de grados y quarks que desafían las reglas: físicos exploran la primera fase líquida del Universo.

Los físicos encontraron una nueva forma de asomarse al interior de la materia que componía el Universo en los primeros instantes tras el Big Bang. Los científicos determinaron que los quarks pesados se mueven en el plasma incandescente de un modo muy distinto al previsto por los modelos habituales. Una característica inesperada puede ayudar a revelar la estructura del primer líquido del Universo y a comprender cómo interactuaron las partículas elementales en él.

En los primeros microsegundos tras el Big Bang la temperatura del Universo alcanzó billones de grados. Aún no existían los átomos, protones y neutrones habituales. En su lugar, el espacio estaba ocupado por una mezcla incandescente de quarks y gluones, las partículas más pequeñas de las que más tarde se formó la materia ordinaria. Los físicos denominan ese estado plasma de quarks y gluones. A pesar de la temperatura colosal, el plasma se comporta más como un líquido que como un gas.

Para estudiar la materia más primitiva, los investigadores hacen chocar núcleos atómicos acelerados hasta casi la velocidad de la luz. En la colisión aparece por una fracción ínfima de segundo una diminuta gota de plasma del tamaño aproximado de un núcleo atómico. Ver su estructura interna directamente es imposible, por eso los físicos analizan las partículas que atraviesan el medio incandescente. Son especialmente útiles los quarks pesados: las partículas circundantes los empujan constantemente, cambiando su velocidad y dirección.

Un fenómeno similar fue explicado ya en 1905 por Albert Einstein. El científico aclaró por qué las diminutas partículas de polen se mueven de forma desordenada en el agua, aunque el propio líquido parezca inmóvil. Resultó que las moléculas golpean continuamente las partículas que flotan desde distintos lados. Ese movimiento se llamó browniano, y el modelo matemático desarrollado por Einstein se empezó a aplicar más tarde también al estudio del plasma de quarks y gluones.

Sin embargo, la teoría clásica mostró un punto débil. En condiciones normales una partícula recibe numerosos choques aleatorios pequeños, mientras que los golpes fuertes ocurren con muy poca frecuencia. La probabilidad de una aceleración o desaceleración brusca sigue una distribución determinada. Pero cuando un quark vuela casi a la velocidad de la luz, los cálculos habituales dejan de describir su movimiento con precisión. Los físicos conocían el problema desde hace unos 20 años, pero durante mucho tiempo no pudieron explicar qué interacciones dejaba de contemplar el modelo antiguo.

Los autores del nuevo trabajo calcularon el movimiento de un quark pesado a través de un medio de quarks y gluones teniendo en cuenta la interacción nuclear fuerte. Primero los investigadores eligieron un modelo relativamente sencillo, en el que las partículas influyen débilmente entre sí. Luego calcularon con qué frecuencia el quark en tránsito debería recibir empujones de distinta intensidad y cómo cambia su impulso.

El resultado fue inesperado. Los cambios pequeños del movimiento sí obedecían la teoría habitual, pero los golpes fuertes se producían con mucha más frecuencia de lo que sugerían los cálculos previos. Además, las influencias no eran equivalentes: la desaceleración brusca del quark ocurría con mayor probabilidad que una aceleración igualmente intensa respecto al movimiento esperado.

Precisamente los choques fuertes y raros pueden contar más sobre el plasma que millones de colisiones débiles. La frecuencia de los cambios bruscos del impulso depende de cómo interactúan las partículas entre sí dentro del medio. Si se aprende a identificar esos eventos en los datos experimentales, será posible determinar con mayor precisión las propiedades de la materia que existió poco después del nacimiento del Universo.

Los investigadores verificaron los cálculos en plasmas con otra composición de partículas y volvieron a encontrar la característica asimetría. Además, una regularidad similar ya había aparecido en trabajos teóricos anteriores dedicados a medios con interacciones entre partículas mucho más fuertes. Según los físicos, los choques fuertes frecuentes podrían ser una propiedad común del plasma incandescente independientemente de los detalles de su estructura interna.

Los autores también suponen que las partículas del Universo primitivo interactuaban entre sí con más intensidad de la que se desprende de la descripción simplificada del movimiento browniano. Ese esquema concuerda con la imagen del plasma de quarks y gluones como un líquido extremadamente fluido, en el que las partículas afectan el movimiento unas de otras.

Por ahora los físicos han obtenido una predicción teórica que aún debe comprobarse experimentalmente. El siguiente paso consiste en comparar los nuevos cálculos con los resultados de colisiones de núcleos atómicos pesados en aceleradores. Si se logran detectar las desviaciones características en el movimiento de los quarks, los científicos conseguirán otra manera de reconstruir las propiedades de la materia que existió mucho antes de la aparición de los primeros átomos.