Resolver un misterio tan antiguo como la Gran Explosión
Hace casi catorce mil millones de años, nuestro Universo estalló en la Gran Explosión. En esos primeros instantes, todo era un plasma extremadamente caliente de partículas elementales que se expandían casi a la velocidad de la luz. La mayoría eran quarks, los que conforman la materia visible, y gluones, que, como su nombre indica, median una fuerza nuclear fuerte similar al pegamento entre los quarks. Los científicos pueden recrear artificialmente estas condiciones haciendo colisionar iones pesados a las mayores energías de colisión disponibles en los aceleradores de partículas, y han encontrado pruebas que apoyan la existencia de este estado extremo de la materia, denominado plasma de quarks-gluones (QGP, por sus siglas en inglés). Sin embargo, aunque la hipótesis era que el QGP se comportaba como un gas de interacción débil, los experimentos con iones pesados realizados en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Brookhaven (Estados Unidos) y en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han demostrado que se parece más a un líquido fuertemente acoplado. En el proyecto QGP-MYSTERY, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, los investigadores exploraron las propiedades del QGP a las energías más altas alcanzadas hasta la fecha en el LHC, con el fin de conocer mejor este enigmático estado de la materia. «Las implicaciones principales son las limitaciones nuevas de las propiedades del QGP, sobre todo de la dependencia de la temperatura de su viscosidad de cizalla», explica Ante Bilandzic, físico de la Universidad Técnica de Múnich y coordinador del proyecto QGP-MYSTERY. «Dado que el Universo se llenó casi por completo de QGP unos microsegundos después de la Gran Explosión, esto profundiza nuestra comprensión de esa época distante en la evolución de nuestro universo», añade.
Medir el flujo anisótropo
Para descubrir más sobre las propiedades del QGP, Bilandzic dirigió al equipo de QGP-MYSTERY en el estudio de un fenómeno físico conocido como flujo anisótropo. Como dos iones pesados chocan ligeramente descentrados, la forma de la colisión es desigual. Este desnivel, o anisotropía, se transmite a la forma en que las partículas interactúan entre sí y se mueven, un efecto conocido como flujo anisotrópico.
Alinear el formalismo matemático con el flujo anisótropo
El equipo también alineó el complejo de formalismo matemático, denominado cumulantes multivariantes, con la forma en que los científicos estudian el flujo anisotrópico. Esto condujo al desarrollo de unas mejores herramientas para analizar el QGP. Los nuevos «observables» ofrecen formas nuevas de medir el flujo de partículas, incluidas las mediciones simétricas y asimétricas de orden superior. «Dado que cada uno de estos observables nuevos satisface todas las propiedades fundamentales de los cumulantes multivariantes, cada uno de ellos conlleva por definición un fragmento de información independiente sobre las propiedades del QGP», afirma Bilandzic.
Primeros experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones
A través de la iniciativa ALICE Collaboration, los investigadores ya han realizado las primeras mediciones utilizando estos nuevos observables en el LHC, lo que mejora nuestro conocimiento del QGP. Hasta la fecha, el equipo del proyecto ha dado lugar a un total de trece publicaciones en revistas especializadas: nueve artículos teóricos y cuatro experimentales para ALICE Collaboration. Entre ellas se incluyen: el desarrollo de un nuevo paradigma para los cumulantes multivariantes y los correspondientes nuevos observables de flujo; las primeras mediciones experimentales de los cumulantes simétricos de orden superior y asimétricos de las amplitudes de flujo; y las primeras soluciones analíticas al «problema combinatorio de fondo», que ofrece perspectivas nuevas sobre cómo deben interpretarse correctamente las mediciones de flujo en pequeños sistemas de colisión. Bilandzic y su equipo tienen previsto seguir estudiando el QGP en el LHC, mediante conjuntos de datos varios órdenes de magnitud mayores: «Esto permitirá, por primera vez, realizar mediciones de observables que antes eran inviables debido a la limitación de las estadísticas».
Palabras clave
QGP-MYSTERY, Gran Explosión, misterio, quark, estado, materia, LHC, partículas