Casi tan caliente como el Big Bang

Cuando la materia se calienta hasta temperatura extrema, tan extrema como 100.000 veces la del centro del Sol, suceden cosas raras. Los átomos dejan de ser átomos e incluso los núcleos atómicos se disgregan en sus componentes fundamentales para formar un nuevo estado de la materia, una sopa de partículas con propiedades exóticas. Así debió de ser el universo al principio, en los primeros instantes después del Big Bang, mucho antes de que al expandirse y enfriarse aquel cosmos primitivo pudieran formarse los átomos y luego las estrellas, las galaxias, los planetas...

¿Cómo reproducir en el laboratorio esas condiciones de altísima temperatura? El gran acelerador de partículas LHC, en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, junto a Ginebra), además de servir para cazar el famoso bosón de Higgs, sirve para generar minúsculas gotas de esa sopa supercaliente de partículas elementales (quarks y gluones). Pero, para ello, en lugar de acelerar y colisionar protones, hay que acelerar y hacer chocar plomo, o más bien, núcleos de plomo. Uno de los grandes experimentos del LHC, el Alice, está especializado precisamente en la exploración de ese microcosmos ardiente y cuenta con un mes al año de colisiones de plomo acelerado en el LHC o, como se ha ensayado hace unos pocos días, de plomo contra protones.

“El plasma de quarks y gluones debió de ser el estado de la materia más abundante, si no el único, durante las primeras milmillonésimas de segundo tras el Big Bang, pues la temperatura que reinaba por aquel entonces era de un billón de grados centígrados, lo que equivale a un 1 seguido de 12 ceros, es decir, un millón de veces la temperatura del interior del Sol, que no de la superficie, que está en unos 6.000 grados”, comenta Ginés Martínez, director de investigación del CNRS francés, que lidera el equipo de Alice de su laboratorio en Nantes. “En el LHC nos acercamos pues a esas temperaturas del principio del universo al crear microgotas de ese plasma de quarks y gluones que duran una billonésima de billonésima de segundo”, continúa.

En las colisiones del acelerador LHC se han alcanzado 5,5 billones de grados

“Con Alice tenemos la oportunidad de observar y estudiar las propiedades de ese estado primordial de la materia”, explica Despina Hatzifotiadou, física del experimento. De momento, continúa, en las semanas de colisiones plomo/plomo que ya se han hecho en el LHC, en 2010 y 2011, se ha observado cómo esta sopa de quarks y gluones se comporta como un líquido perfecto, prácticamente sin fricción, y opaco. “Además, hemos batido un récord al crear la mayor temperatura en el universo: unos 5,5 billones de grados kelvin”, añade. Es la temperatura que tendría el universo 10 milmillonésimas de segundo después de la gran explosión inicial, dice Carlos Pajares, que lidera el grupo español de la Universidad de Santiago que participa en Alice. “Se trata de estudiar precisamente la transición de fase entre el estado de las partículas elementales tal y como están en los componentes del núcleo atómico a esa sopa de quarks y gluones”, añade este físico teórico.

En el LHC estaba previsto que tras la fase actual de colisión de protones (hasta final de año) hubiera un mes de colisiones de plomo/plomo en enero. Pero han cambiado ligeramente los planes, explica Hatzifotiadou, y serán choques de haces de plomo contra haces de protones, lo que permitirá a los físicos hacer comparaciones de las propiedades del plasma con diferentes tipos de colisión.

Un millar de físicos e ingenieros de 31 países trabajan en Alice, uno de los cuatro gigantescos detectores de partículas del LHC (otros dos, el Atlas y el CMS, también aportan información en esta vertiente de la investigación de la sopa de quarks y gluones). No hay que olvidar que aunque Alice se sitúe en los récords de energía y temperatura, la instalación estadounidense RHIC avanzó mucho en este camino del nuevo estado de la materia en la última década, recuerdan los expertos. Allí se crearon, hace 10 años, las primeras gotas de la sopa de quarks y gluones, apunta Martínez.

Los quarks parecen prisioneros eternos confinados dentro de los protones

Es todavía un misterio sin resolver por qué los protones y los neutrones de los núcleos de los átomos tienen una masa cien veces superior a la de los quarks que los forman y por qué sus quarks parecen ser sus prisioneros eternos.

Para entender estos dos problemas hay que repasar un poco la composición del átomo, que está formado por un núcleo y electrones; el núcleo, a su vez, está formado por protones y neutrones y cada uno de estos, por tres quarks, unidos por la denominada fuerza fuerte, de la que se ocupan los gluones. Pues bien, los quarks no se pueden separar unos de otros, están confinados dentro del protón o del neutrón, y cuanto más fuerte intenta uno separarlos, más fuertemente se unen. Es como si estuvieran sujetos con una goma (los gluones), que resulta más y más difícil estirar cuanto más tensa está. Pero a partir de un momento, a muy alta temperatura, la goma se rompe y esas partículas elementas, en libertad, forman la famosa sopa, explica Pajares. ¿Cómo? ¿Por qué? ¿Qué reglas rigen esa transición y sus propiedades? Este es el terreno de los físicos de Alice.

Otro misterio pendiente es el de la masa del protón. Resulta que los tres quarks que lo forman “representan solo el 1% de su masa, esa cuyo origen se explica con el mecanismo del bosón de Higgs”, argumenta Martínez. ¿Y el resto? “El 99% restante de la masa se crea por el proceso de confinamiento de quarks”, añade.