Una onda de Mach supersónica a medida que evoluciona en un plasma de quarks-gluones en expansión
Una onda de Mach supersónica a medida que evoluciona en un plasma de quarks-gluones en expansión. Crédito: Berkeley Lab.

Un grupo de científicos ha informado sobre nuevas pistas para resolver un enigma cósmico: cómo el plasma de quarks-gluones (QGP), el fluido perfecto de la naturaleza, se convirtió en materia. Unas millonésimas de segundo después del Big Bang, el universo primitivo adquirió un nuevo y extraño estado: una sopa subatómica llamada plasma de quarks-gluones.

Hace sólo 15 años, un equipo internacional que incluía a investigadores del grupo Relativistic Nuclear Collisions (RNC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que este plasma de quarks-gluones es un fluido perfecto, en el que los quarks y los gluones, los componentes básicos de protones y neutrones, están tan fuertemente acoplados que fluyen casi sin fricción.

Se puede usar la tomografía de chorro 2D para captar las señales diminutas de la estela de difusión en el plasma de quarks-gluones

Los científicos postularon que chorros de partículas altamente energéticos vuelan a través del plasma de quarks-gluones, una gota del tamaño del núcleo de un átomo, a velocidades más rápidas que la velocidad del sonido, y que, como un jet que vuela rápido, emiten un boom supersónico llamado onda de Mach. Para estudiar las propiedades de estas partículas de chorro, en 2014 un equipo dirigido por científicos de Berkeley Lab fue pionero en una técnica de imágenes de rayos X atómicos llamada tomografía de chorro. Los resultados de esos estudios seminales revelaron que estos chorros se dispersan y pierden energía a medida que se propagan a través del plasma de quarks y gluones.

Pero, ¿dónde comenzó el viaje de las partículas en chorro dentro del plasma de quarks-gluones? Una señal de onda de Mach más pequeña llamada estela de difusión, predijeron los científicos, indicaría diría dónde mirar. Pero aunque la pérdida de energía fue fácil de observar, la onda de Mach y la estela de difusión que la acompañó siguieron siendo esquivas.

Este video de 2010 describe colisiones de partículas pesadas en el Acelerador Relativista de Iones Pesados del Laboratorio Nacional Brookhaven.

Como buscar una aguja en un pajar de 10.000 partículas

Ahora, en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, los científicos de Berkeley Lab informan nuevos resultados en simulaciones de modelos que muestran que otra técnica que inventaron, llamada tomografía de chorro 2D, puede ayudar a los investigadores a localizar la señal fantasmal de la estela de difusión.

«Su señal es tan pequeña que es como buscar una aguja en un pajar de 10.000 partículas. Por primera vez, nuestras simulaciones muestran que se puede usar la tomografía de chorro 2D para captar las señales diminutas de la estela de difusión en el plasma de quarks-gluones”, comenta el líder del estudio, Xin-Nian Wang, científico senior de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, que formó parte del equipo internacional que inventó esta técnica.

Para encontrar esa aguja supersónica en el pajar de quarks-gluones, el equipo de Berkeley Lab seleccionó cientos de miles de eventos de colisión de núcleos de plomo simulados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, y eventos de colisión de núcleos de oro en el Acelerador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Algunas de las simulaciones por ordenador para el estudio actual se realizaron en las instalaciones para usuarios de superordenadores NERSC de Berkeley Lab.

Este videoclip con lapso de tiempo muestra una onda de Mach supersónica a medida que evoluciona en un plasma de quarks-gluones en expansión
Este videoclip con lapso de tiempo muestra una onda de Mach supersónica a medida que evoluciona en un plasma de quarks-gluones en expansión. La simulación por ordenador proporciona una nueva perspectiva sobre cómo se formó la materia durante el nacimiento del universo temprano. Crédito: Berkeley Lab.

¿De qué estamos hechos?

Wang asegura que su enfoque único «lo ayudará a deshacerse de todo este heno en su pila, lo ayudará a concentrarse en esta aguja«. La señal supersónica de las partículas en chorro tiene una forma única que parece un cono, con una estela de difusión detrás, como ondas de agua en la estela de un barco en rápido movimiento. Los científicos han buscado evidencia de este «despertar» supersónico porque les dice que hay un agotamiento de partículas. Una vez que la estela de difusión se encuentra en el plasma de quarks-gluones, puede distinguir su señal de las otras partículas en el fondo.

Su trabajo también ayudará a los experimentadores del LHC y RHIC a comprender qué señales buscar en su búsqueda para comprender cómo el plasma de quarks-gluones, el fluido perfecto de la naturaleza, se convirtió en materia. «¿De qué estamos hechos? ¿Cómo se veía el universo infantil en los pocos microsegundos posteriores al Big Bang? Esto todavía es un trabajo en progreso, pero nuestras simulaciones de la estela de difusión tan buscada nos acercan a responder estas preguntas«, concluye Wang.

Fuente: Physical Review Letters.

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Cofundador de Fantasymundo, director de las secciones de Libros y Ciencia. Lector incansable de ficción y ensayo, escribo con afán divulgador sobre temáticas relacionadas con el entretenimiento y la cultura cercanas a mis intereses.

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