Nuestro universo comenzó con un estallido que voló todo a la existencia. Pero lo que sucedió después es un misterio. Los científicos creen que antes de que se formaran los átomos, o incluso los protones y neutrones de los que están hechos, probablemente había una mezcla caliente y espesa de dos partículas elementales llamadas quarks y gluones, que se agitaban en el espacio como plasma. Y debido a que no había nadie presente para observar los primeros momentos del cosmos, una coalición de investigadores está tratando de volver a ejecutar la historia.
Usando el Colisionador de Iones Pesados Relativistas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, esencialmente han creado un "Little Bang" y lo están usando para probar las propiedades de ese plasma de quarks-gluones. Los hallazgos ayudarán a los cosmólogos a refinar su imagen aún borrosa del universo primitivo, y cómo el estado fangoso y abrasador de la materia infantil se enfrió y se fusionó en los planetas, estrellas y galaxias de hoy.
"Pensamos en un microsegundo después del Big Bang, el universo estaba en esta etapa", dice el físico Rongrong Ma, que trabaja con el Solenoidal Tracker en el Relativistic Heavy Ion Collider, o STAR, un detector dedicado a investigar el plasma de quarks y gluones. . “Entonces, si podemos comprender a partir de experimentos las propiedades de dicha materia, esto contribuirá a nuestra comprensión de cómo evolucionó el universo”.
Los científicos no están seguros de cuánto duró esta etapa de plasma; podría haber sido desde unos pocos segundos hasta miles de años. Incluso podría existir hoy en día en los núcleos densos de las estrellas de neutrones, o se forma cuando las partículas de súper alta energía chocan contra la atmósfera de la Tierra, por lo que aprender sobre sus propiedades podría ayudar a caracterizar la física de los entornos cósmicos más extremos.
Estos primeros días del universo son imposibles de estudiar con telescopios, que solo pueden llegar tan atrás como el fondo cósmico de microondas, la primera luz que emergió del denso universo primitivo, cien mil años después del Big Bang. Todo lo anterior es tanto literal como figurativamente una era oscura de la cosmología. Las simulaciones teóricas pueden ayudar a llenar ese vacío, dice Jaki Noronha-Hostler, físico nuclear de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, pero los detectores como STAR “permiten comprender experimentalmente un sistema que es muy similar al Big Bang”.
Además, los quarks y gluones nunca se encuentran solos en la naturaleza, lo que dificulta su estudio de forma aislada. “No podemos simplemente sacar uno y examinarlo”, dice Helen Caines, física de la Universidad de Yale y portavoz del experimento STAR. En cambio, están atrapados en estados compuestos: protones, neutrones y materia más exótica como upsilons, piones y kaons. Pero a temperaturas lo suficientemente altas, los límites entre estas partículas compuestas comienzan a desdibujarse. “Y ese es el plasma de quarks y gluones”, dice Caines. Todavía están confinados a algún volumen, pero los quarks y gluones dentro de este espacio ya no están fusionados. De hecho, dice, "plasma" podría ser un nombre un poco inapropiado, porque en realidad se comporta más como un fluido, en el sentido de que fluye.
En marzo, los científicos de Brookhaven informaron en Cartas de revisión física que fueron capaces de generar el plasma de quarks y gluones por un breve instante acelerando dos haces de núcleos de oro a una velocidad cercana a la de la luz y luego estrellándolos entre sí. Luego vino la parte inteligente: usaron esta colisión para calcular qué tan caliente habría sido el plasma posterior al Big Bang.
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