Un equipo internacional de científicos ha publicado un nuevo informe que avanza hacia una mejor comprensión del comportamiento de algunas de las partículas más pesadas del universo en condiciones extremas, que son similares a las justo después del Big Bang. El artículo, publicado en la revista Informes de físicaestá firmado por los físicos Juan M. Torres-Rincón, del Instituto de Ciencias del Cosmos en la Universidad de Barcelona (ICCUB), Santosh K. Das, del Instituto Indio de Tecnología de GOA (India) y Ralf Rapp, de la Universidad de Texas A&M (Estados Unidos).
Los autores han publicado una revisión exhaustiva que explora cómo las partículas que contienen quarks pesados (conocidos como hadrones de encanto e inferior) interactúan en un entorno caliente y denso llamado asunto hadrónico. Este entorno se crea en la última fase de colisiones de alta energía de núcleos atómicos, como los que tienen lugar en el gran colider de hadrones (LHC) y el colider de iones pesados relativistas (RHIC). El nuevo estudio destaca la importancia de incluir las interacciones hadrónicas en las simulaciones para interpretar con precisión los datos de los experimentos en estas grandes infraestructuras científicas.
El estudio amplía la perspectiva de cómo la materia se comporta en condiciones extremas y ayuda a resolver algunas grandes incógnitas sobre el origen del universo.
Reproducir el universo primordial
Cuando dos núcleos atómicos chocan a velocidades cercanas a la luz, generan temperaturas más de 1,000 veces más altas que las del centro del Sol. Estas colisiones producen brevemente un estado de materia llamado plasma de quark-gluon (QGP), una sopa de partículas fundamentales que existían microsegundos después del Big Bang. A medida que este plasma se enfría, se transforma en materia hadrónica, una fase compuesta de partículas como protones y neutrones, así como otros bariones y mesones.
El estudio se centra en lo que sucede con los hadrones de sabor pesado (partículas que contienen quarks charmed o de fondo, como los mesones D y B) durante esta transición y la expansión de la fase hadrónica que lo sigue.
Partículas pesadas como sondas
Los quarks pesados son como pequeños sensores. Al ser tan masivos, se producen justo después de la colisión nuclear inicial y se mueven más lentamente, interactuando así de manera diferente con el asunto circundante. Saber cómo se dispersan y se propagan es clave para aprender sobre las propiedades del medio a través del cual viajan.
Los investigadores han revisado una amplia gama de modelos teóricos y datos experimentales para comprender cómo los hadrones pesados, como los mesones D y B, interactúan con partículas de luz en la fase hadrónica. También han examinado cómo estas interacciones afectan cantidades observables, como el flujo de partículas y la pérdida de impulso.
«Para comprender realmente lo que vemos en los experimentos, es crucial observar cómo las partículas pesadas se mueven e interactúan también durante las etapas posteriores de estas colisiones nucleares», dice Juan M. Torres-Rincón, miembro del Departamento de Física y Astrofísica cuántica e ICCUB.
«Esta fase, cuando el sistema ya se ha enfriado, todavía juega un papel importante en cómo las partículas pierden energía y fluyen juntas. También es necesario abordar las propiedades microscópicas y de transporte de estos sistemas pesados en el punto de transición al plasma quark-gluon», continúa. «Esta es la única forma de lograr el grado de precisión requerido por los experimentos y simulaciones actuales».
Se puede usar una analogía simple para comprender mejor estos resultados: cuando dejamos caer una pelota pesada en una piscina llena de gente, incluso después de que las olas más grandes se hayan disipado, la pelota continúa moviéndose y chocando con las personas. Del mismo modo, las partículas pesadas creadas en las colisiones nucleares continúan interactuando con otras partículas a su alrededor, incluso después de la fase más caliente y más caótica. Estas interacciones continuas modifican sutilmente el movimiento de las partículas, y el estudio de estos cambios ayuda a los científicos a comprender mejor las condiciones del universo temprano. Por lo tanto, ignorar esta fase significaría perder una parte importante de la historia.
Mirando hacia el futuro
Comprender cómo se comportan las partículas pesadas en la materia caliente es fundamental para mapear las propiedades del universo temprano y las fuerzas fundamentales que lo gobiernan. Los hallazgos también allanan el camino para futuros experimentos en energías más bajas, como los planeados en el Super Proton Super Synchrotron (SPS) y la Future Fair Facility en Darmstadt, Alemania.
