El LHC se adentra en la materia del universo primigenio

Las colisiones de iones pesados en el LHC están ayudando a comprender mejor el estado de la materia en los primeros instantes del universo. Los experimentos ALICE, CMS y ATLAS del gran colisionador trabajaron con iones de plomo durante 4 semanas en 2011y obtuvieron una cantidad de datos 20 veces superior a la de 2010.

Ahora, los resultados de unos mil millones de colisiones se presentan en el congreso Quark Matter 2012, que entre el 13 y 18 de agosto se celebra en Washington (EEUU). Los investigadores informarán sobre la materia más densa y más caliente jamás estudiada en el laboratorio, unas 100.000 veces más caliente que el interior del Sol y más densa que una estrella de neutrones.

En concreto, los científicos han tomado nuevas medidas sobre el denominado ‘plasma de quarks y gluones’, un estado de la materia generado justo después del Big Bang y en el que vagaban libremente los quarks (hoy uno de los constituyentes fundamentales de la materia) y los gluones (portadores de la interacción nuclear fuerte -una de las cuatro fuerzas fundamentales- y responsables de que los quarks se mantengan unidos formando protones -dos quarks ‘arriba’ y uno ‘abajo’- y neutrones -dos quarks ‘abajo’ y uno ‘arriba’-).

"El campo de la física de iones pesados ​​es fundamental para probar las propiedades de la materia en el universo primordial, una de las cuestiones clave de la física fundamental que el LHC puede abordar”, dice el director general del CERN, Rolf Heuer. “Aquí los físicos no solo investigan la recientemente descubierta partícula tipo Higgs, también muchos otros fenómenos importantes mediante colisiones protón-protón y plomo-plomo".

ALICE y los quarks encantados

Los científicos de ALICE van a aportar gran cantidad de nuevos resultados en todos los aspectos de la evolución en el espacio y el tiempo de esa materia de alta densidad. Algunos de los estudios que despiertan mayor interés son los relacionados con las partículas ‘encantadas’, que contienen un quark encanto (charm, en inglés) o anti-encanto.

Estos charm quarks, que son cien veces más pesados que los quarks arriba y abajo que forman la materia normal, se desaceleran cuando pasan por del plasma de quarks y gluones, lo que ofrece a los científicos una herramienta única para investigar sus propiedades.

Físicos de esta colaboración explicarán que el flujo en el plasma es tan fuerte que las pesadas partículas ‘encantadas’ ​​son arrastradas por ella. El experimento también ha observado indicios de un fenómeno conocido como ‘termalización’, en el que se combina un quark encanto con su anti-encanto para formar ‘charmonium’, cuya disociación inicial se relaciona con la formación del plasma de quarks y gluones.

CMS y ATLAS con los ‘jets quenching’

Por su parte, el experimento CMS también ha observado signos claros de la supresión de estados quarkonium, constituidos por un quark y su correspondiente antiquark. "CMS presenta importantes resultados nuevos con iones pesados no sólo en la supresión de quarkonium, sino también en las propiedades del material intermedio y en una variedad de estudios de jet quenching (enfriamiento o frenado de los jets)”, dice Joseph Incandela, el portavoz de CMS.

Cuando los quarks y los gluones se alejan del punto de colisión se forman unos chorros (jets, en inglés) de partículas. En las colisiones de protones, los jets suelen aparecer en parejas, en direcciones opuestas y energías similares. Sin embargo, en las colisiones de iones pesados los chorros interactúan con las tumultuosas condiciones del medio denso y caliente formado por el plasma de quarks y gluones como el del universo primigenio.

Esto produce una señal muy característica conocida como jet quenching, en la que la energía de los chorros se puede degradar mucho, lo que indica que se producen interacciones con el medio. Así, el enfriamiento del jet es una poderosa herramienta para estudiar el comportamiento del plasma en detalle.

La colaboración ATLAS también informará sobre los últimos avances en el conocimiento de este fenómeno, incluyendo un estudio de alta precisión de cómo los chorros se fragmentan en materia, y en las correlaciones entre los jets y los bosones electrodébiles. Los resultados se complementan con otros también de interés, como novedades sobre el flujo del plasma.

"Hemos entrado en una nueva fase en la que no sólo observamos el fenómeno del plasma de quarks y gluones, sino que también podemos hacer mediciones de alta precisión usando variedad de sondas", dice Fabiola Gianotti, portavoz de ATLAS, que concluye: “Todos estos estudios contribuirán significativamente a nuestra comprensión del universo temprano".