Fuertes colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han revelado el rastro más tenue de una estela dejada por un quark al atravesar materia nuclear de un billón de grados, lo que indica que la sopa primordial del universo puede haber sido literalmente más parecida a una sopa de lo que pensábamos. Los nuevos hallazgos de la colaboración Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC muestran la primera evidencia clara de una “caída” sutil en la producción de partículas detrás de un quark de alta energía a medida que atraviesa el plasma de quarks y gluones, una gota de materia primordial que se cree llenó el universo microsegundos después del Big Bang. Un estudio que describe los resultados, publicado el 25 de diciembre de 2025 en la revista Physics Letters B, ofrece una mirada tentadora al universo en sus primeros momentos.
Recreando las condiciones del universo primitivo en el laboratorio
Cuando los núcleos atómicos pesados chocan a una velocidad cercana a la de la luz dentro del LHC, se funden brevemente en un estado exótico conocido como plasma de quarks y gluones. En este entorno extremo, “la densidad y la temperatura son tan altas que la estructura atómica regular ya no se mantiene”, declaró a Live Science por correo electrónico Yi Chen, profesor adjunto de física en la Universidad de Vanderbilt y miembro del equipo del CMS. En cambio, “todos los núcleos se superponen y forman el llamado plasma de quarks y gluones, donde los quarks y los gluones pueden moverse más allá de los confines de los núcleos. Se comportan de forma más parecida a un líquido”.
Esta gota de plasma es extraordinariamente pequeña —de unos 1014 metros de diámetro, o 10.000 veces más pequeña que un átomo— y se desvanece casi instantáneamente. Sin embargo, dentro de esa fugaz gota, los quarks y los gluones —los portadores fundamentales de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos los núcleos atómicos— fluyen colectivamente de forma que se asemejan más a un líquido ultracaliente que a un simple gas de partículas.
Los físicos quieren comprender cómo interactúan las partículas energéticas con este extraño medio. “En nuestros estudios, queremos estudiar cómo interactúan diferentes elementos con la pequeña gota de líquido que se crea en las colisiones”, dijo Chen. “Por ejemplo, ¿cómo atravesaría un quark de alta energía este líquido caliente?”
La teoría predice que el quark dejaría una estela detectable en el plasma tras él, similar a la que dejaría un barco al atravesar el agua. “El agua será impulsada hacia adelante con el barco en la misma dirección, pero también prevemos una pequeña disminución en el nivel del agua detrás del barco, ya que el agua es empujada”, dijo Chen.
En la práctica, sin embargo, separar el “barco” del “agua” no es nada sencillo. La gota de plasma es diminuta y la resolución experimental es limitada. Al frente de la trayectoria del quark, este y el plasma interactúan intensamente, lo que dificulta distinguir qué señales provienen de cuál. Pero detrás del quark, la estela —si está presente— debe ser una propiedad del propio plasma.
“Queremos encontrar esta pequeña depresión en la parte trasera”, dijo Chen.
Una sonda limpia con bosones Z
Para aislar esa estela, el equipo recurrió a una partícula asociada especial: el bosón Z, uno de los portadores de la fuerza nuclear débil —una de las cuatro interacciones fundamentales, junto con las fuerzas electromagnética, fuerte y gravitacional—, responsable de ciertos procesos de desintegración atómica y subatómica. En ciertas colisiones, un bosón Z y un quark de alta energía se producen juntos, retrocediendo en direcciones opuestas.
Aquí es donde el bosón Z se vuelve crucial. “Los bosones Z son responsables de la fuerza débil, y en lo que respecta al plasma, Z simplemente escapa y desaparece”, dijo Chen. A diferencia de los quarks y los gluones, los bosones Z apenas interactúan con el plasma. Abandonan la zona de colisión intactos, lo que proporciona un indicador claro de la dirección y energía originales del quark.
Esta configuración permite a los físicos centrarse en el quark mientras atraviesa el plasma, sin preocuparse de que su partícula compañera haya sido distorsionada por el medio. En esencia, el bosón Z actúa como un marcador calibrado, lo que facilita la búsqueda de cambios sutiles en la producción de partículas detrás del quark.
El equipo del CMS midió las correlaciones entre los bosones Z y los hadrones (partículas compuestas de quarks) que emergen de la colisión. Al analizar cuántos hadrones aparecen en dirección inversa respecto al movimiento del quark, pudieron buscar la estela prevista.
Una señal pequeña pero importante
El resultado es sutil. “En promedio, en la dirección inversa, observamos un cambio de menos del 1% en la cantidad de plasma”, dijo Chen. “Es un efecto muy pequeño (y en parte por eso se tardó tanto en demostrarlo experimentalmente)”.
Aun así, esa supresión inferior al 1% es precisamente el tipo de señal esperada de un quark que transfiere energía y momento al plasma, dejando una región empobrecida a su paso. El equipo informa que esta es la primera vez que se detecta claramente una disminución de este tipo en eventos etiquetados con Z.
La forma y la profundidad de la depresión codifican información sobre las propiedades del plasma. Retomando su analogía, Chen señaló que si el agua fluye con facilidad, una depresión detrás de un barco se llena rápidamente. Si se comporta como la miel, la depresión persiste. “Por lo tanto, estudiar el aspecto de esta depresión nos proporciona información sobre el plasma en sí, sin la complejidad del barco”, explicó.
Una mirada retrospectiva al universo primitivo
Los hallazgos también tienen implicaciones cosmológicas. Se cree que el universo primitivo, poco después del Big Bang, estuvo lleno de plasma de quarks y gluones antes de enfriarse y convertirse en protones, neutrones y, finalmente, átomos.
“Esta era no es observable directamente con telescopios”, afirma Chen. “El universo era opaco en aquel entonces”. Las colisiones de iones pesados ofrecen una pequeña visión de cómo se comportó el universo durante esta era, añadió.
Por ahora, la disminución observada es “sólo el comienzo”, concluyó Chen. “La emocionante implicación de este trabajo es que abre nuevas posibilidades para comprender mejor las propiedades del plasma. Con más datos acumulados, podremos estudiar este efecto con mayor precisión y aprender más sobre el plasma en un futuro próximo”.
Fuente: Live Science.