Núcleos de oxígeno recrean la materia del universo primitivo

Dos núcleos de oxígeno, formados cada uno por ocho protones y ocho neutrones, chocan entre sí a casi la velocidad de la luz dentro del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos. El impacto rompe los núcleos y libera sus protones y neutrones en los quarks y gluones que los componen. El resultado es el plasma de quarks y gluones (QGP), la materia que existió durante los primeros microsegundos después del Big Bang, y una herramienta para entender cómo se formaron por primera vez los protones, los neutrones y los átomos.

El plasma dura demasiado poco como para observarlo directamente, ni siquiera en el RHIC ni en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Por eso, los físicos estudian las partículas que salen disparadas de cada colisión, registradas por detectores como STAR, el Solenoidal Tracker at RHIC. La principal pista es el apagado de chorros (jet quenching). Los chorros energéticos de partículas pierden energía al atravesar la materia caliente y densa que queda tras el choque de los núcleos, y esa pérdida se considera una firma del QGP. El estudio del plasma también ayuda con otras cuestiones, como los límites de la estabilidad nuclear o la búsqueda de partículas exóticas como las partículas X. «Una de las formas más poderosas en que los científicos estudian el QGP es identificar dónde aparecen sus firmas y, igual de importante, dónde desaparecen», afirmó Li Yi, profesor de física de la Universidad de Shandong que participa en el trabajo.

El oro era la referencia. Los núcleos de oro, con 78 protones y 118 neutrones, mostraron apagado de chorros, y sus partículas de menor energía se movían en conjunto como un líquido perfecto, sin resistencia. El equipo del RHIC quería saber si un sistema mucho más ligero produciría la misma firma. Sus colisiones oxígeno-oxígeno, realizadas a 200 GeV (200.000 millones de electronvoltios) en el RHIC en 2021, mostraron una supresión del 20 % de las partículas de alta energía por apagado de chorros. Es una cifra inferior a las del oro y el plomo, pero los investigadores afirman que sigue siendo una prueba de que se formó el QGP. Los investigadores del CERN también han estudiado colisiones oxígeno-oxígeno, lo que permite a los dos equipos comparar sus resultados.

Rongrong Ma, física del STAR en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, describió el objetivo: «Estamos ampliando los límites de dos maneras para explorar las condiciones mínimas para crear un QGP, tanto en lo que respecta al tamaño del núcleo, al observar estas pequeñas colisiones oxígeno-oxígeno, como al analizar datos de energías de colisión más bajas, y seguimos viendo esta firma crucial del QGP».

De momento, la ganancia es para la física y no para ningún dispositivo. Los teóricos que estudian el universo primitivo y la estabilidad nuclear disponen de un punto de referencia más pequeño y sencillo que las colisiones de oro, y los experimentadores pueden contrastar sus resultados con los del CERN. Las colisiones también muestran hasta dónde sobrevive la firma a medida que el sistema se reduce, que es el límite que el equipo se propuso encontrar. No se ha dado ninguna fecha para los próximos hallazgos. El nuevo detector sPHENIX, ahora parte de la instalación del RHIC, debería aportar mucho más en los próximos meses.