A menudo se dice que en sus primeros momentos el universo estaba en un estado denso y caliente. Si bien es una descripción bastante precisa, también es bastante vaga. ¿Qué era exactamente lo que estaba caliente y denso, y en qué estado se encontraba? Responder a esa pregunta requiere tanto un modelado teórico complejo como experimentos de alta energía en física de partículas. Pero como muestra un estudio reciente, estamos aprendiendo bastante.
Según la física de partículas y el modelo cosmológico estándar, la materia apareció en el primer microsegundo del universo. Se cree que esta materia inicial es una densa sopa de quarks interactuando en un mar de gluones. Este estado de la materia se conoce como plasma de Quark-Gluon (QGP). El comportamiento de QGP está gobernado por la fuerza fuerte, siguiendo las leyes de la cromodinámica cuántica (QCD). Si bien entendemos QCD relativamente bien, las matemáticas de la teoría son tan complejas que es difícil de calcular. Incluso con supercomputadoras, es difícil calcular el estado de las interacciones densas de quark-gluón.
Una mirada al interior de ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones. ALICE es uno de los cuatro detectores de partículas del LHC. Imagen: CERN / LHC
La alternativa es utilizar el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Si aplasta las partículas a casi la velocidad de la luz, podrá crear una sopa de quarks y gluones durante un breve momento. La Colaboración ALICE analizó este tipo de colisiones para estudiar no solo el estado de QGP sino también cómo el plasma pasa a formar hadrones. Los dos tipos más comunes de hadrones son los protones y los neutrones, que forman los núcleos de los átomos.
Uno de sus sorprendentes descubrimientos es que el plasma de quark-gluón no se comporta como un gas denso, similar a otros plasmas. En cambio, QGP actúa como un líquido denso más análogo al agua. Como resultado, su densidad general es más suave. Esta diferencia es sutil, pero podría contener claves para comprender el cambio crítico que probablemente ocurrió en el universo temprano.
En el modelo cosmológico estándar, el universo temprano experimentó un cambio de fase dramático para transformarse en el universo que vemos hoy. Antes del período QGP, el universo tuvo un período de expansión exponencial. Casi instantáneamente, el universo observable se expandió por un factor de 10.26y enfriado por un factor de 100.000. Esta expansión y sobreenfriamiento marcaron el comienzo del período QGP, por lo que comprender su comportamiento fluido nos ayuda a estudiar ese período de transición.
Aún queda mucho por aprender sobre el universo primitivo. Estudios como estos de la colaboración ALICE son cruciales para nuestra comprensión. Empujan los límites mismos de la física de altas energías y continúan derribando nuestras expectativas.
Referencia:Acharya, S., et al. “ Mediciones de acumulados armónicos mixtos en colisiones Pb-Pb a sNN = 5.02 TeV .”Letras de física B(2021): 136354.