Plasma de quarks-gluones

Plasma de quarks-gluones es un estado extremo de la materia en el que los componentes básicos de protones y neutrones — quarks y gluones — ya no están encerrados dentro de partículas individuales, sino que deambulan libremente en una sopa densa y caliente. Se cree que llenó todo el universo durante las primeras millonésimas de segundo después del Big Bang, y ha sido recreado brevemente en los colisionadores de partículas más poderosos del mundo.

Rompiendo el vínculo más fuerte

Normalmente, los quarks quedan atrapados permanentemente dentro de protones, neutrones y otras partículas por la fuerza nuclear fuerte, transportada por los gluones. Esta captura se llama confinamiento: la fuerza entre los quarks se vuelve más fuerte a medida que intentas separarlos, por lo que nunca se ven aislados. Pero a temperaturas extremas (billones de grados, mucho más calientes que el centro del Sol) o densidades extremas, el control del confinamiento se rompe. Los quarks y gluones se "desconfinan" y se mueven libremente. Esta transición es una de las predicciones centrales de la teoría de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica (QCD).

Recreando el universo primitivo

Para producir plasma de quarks y gluones, los físicos aplastan núcleos atómicos pesados ​​(como el oro o el plomo) a casi la velocidad de la luz en instalaciones como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). La colisión concentra una enorme energía en un volumen diminuto, derritiendo brevemente los núcleos hasta convertirlos en plasma antes de que se enfríe y se congele nuevamente en partículas ordinarias en menos de 10⁻²² artículos de segunda clase. Los detectores reconstruyen la pulverización de partículas que emerge para estudiar cómo era el plasma.

Un líquido perfecto

Una de las grandes sorpresas fue que el plasma de quarks-gluones no se comporta como un gas fino, como muchos esperaban, sino casi líquido perfecto — fluye casi sin viscosidad. Este descubrimiento conectó la física nuclear con áreas inesperadas, incluida la teoría de cuerdas y el estudio de cómo se comportan los sistemas que interactúan fuertemente. Investigar las propiedades del plasma (cómo detiene las partículas rápidas, cómo fluye) sigue siendo un importante programa experimental.

Un error común

El plasma de quarks-gluones no es simplemente "materia ordinaria muy caliente". Es una fase genuinamente diferente en la que las partículas habituales de la física nuclear se han disuelto, de la misma manera que el hielo que se funde en agua es un cambio de fase, excepto que aquí son los propios protones y neutrones los que se funden en sus constituyentes.

Números clave: más caliente que cualquier estrella

La recreación del plasma de quarks y gluones requiere temperaturas casi inimaginables. Las colisiones de iones pesados ​​en el RHIC y el LHC alcanzan brevemente

T ≈ 4 × 10¹² K (aproximadamente 250.000 × el núcleo del Sol)

muy por encima del umbral de desconfinamiento de aproximadamente 2 × 10¹² K predicho por la teoría de la fuerza fuerte. La mayor sorpresa fue el plasma flujo: en lugar de comportarse como un gas, tiene una relación entre viscosidad y densidad de entropía tan baja que se encuentra entre los líquidos más perfectos jamás observados, cerca de un límite cuántico fundamental. Este flujo casi sin fricción, reconstruido a partir de cómo las partículas salen de la colisión, es ahora una de las firmas experimentales definitorias del plasma de quarks-gluones.