Al romper partículas, los físicos pueden haber creado la gota de líquido más pequeña del universo: una gota de sopa caliente primordial del tamaño de un protón.
Esta sopa de partículas es plasma de quark-gluón, el fluido que llenó el cosmos durante los primeros microsegundos después del Big Bang. Está en billones de grados, y sin apenas fricción, gira a casi la velocidad de la luz.
"Es el fluido más extremo que conocemos", dijo Jacquelyn Noronha-Hostler, física teórica de la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey.
Los físicos han colisionado partículas para crear esta sopa primordial antes, y algunos experimentos han sugerido que ciertas colisiones producen gotas tan pequeñas como los protones. En un nuevo artículo publicado el 10 de diciembre en la revista Nature Physics, los físicos del Experimento Pionero de Interacción Nuclear de Alta Energía (PHENIX) informaron cuál podría ser la evidencia más convincente hasta ahora de que tales gotas pueden ser tan pequeñas.
"Realmente nos está haciendo repensar nuestra comprensión de las interacciones y condiciones de este tipo de flujo de gotas", dijo Jamie Nagle, físico de la Universidad de Colorado Boulder, quien analizó los datos en los experimentos más recientes. Los resultados podrían ayudar a los físicos a comprender mejor el plasma quark-gluon del universo primitivo y la naturaleza de los fluidos.
"Significa que tenemos que reescribir nuestro conocimiento de lo que significa ser un fluido", dijo a Live Science Noronha-Hostler, que no formó parte de los nuevos experimentos.
Los experimentos se realizaron en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Brookhaven National Laboratory en Nueva York, donde los físicos crearon el primer plasma quark-gluon en 2005 al golpear juntos los núcleos atómicos. El quark es la partícula fundamental que forma protones y neutrones, que a su vez forman núcleos atómicos. Los gluones son las partículas portadoras de fuerza que mantienen unidos a los quarks en un protón o neutrón a través de la fuerza fuerte, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Los físicos previamente asumieron que las gotas de plasma de quark-gluon tenían que ser relativamente grandes, dijo Noronha-Hostler. Para que una gota fluyera como un fluido, se pensaba, el objeto tenía que ser mucho más grande que sus partículas constituyentes. Una gota de agua típica, por ejemplo, es mucho más grande que sus propias moléculas de agua. Por otro lado, un pequeño grupo de, digamos, tres o cuatro moléculas de agua individuales no se comportaría como un líquido, pensaron los investigadores.
Entonces, para hacer que las gotas de plasma de quark-gluón sean lo más grandes posible, los físicos del RHIC juntaron grandes núcleos atómicos como el oro, que producen gotas de tamaño similar, aproximadamente 10 veces más grandes que un protón. Pero los físicos descubrieron que cuando colisionaron partículas más pequeñas, detectaron inesperadamente indicios de gotas de fluido del tamaño de un protón, por ejemplo, en colisiones entre protones en el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra.
Para averiguar si estas pequeñas gotas podrían existir, los físicos que ejecutan el detector PHENIX en los protones disparados por RHIC; núcleos de deuterones, que contienen cada uno un protón y un neutrón; y núcleos de helio-3 en los núcleos de oro. Si estas colisiones formaran gotitas fluidas de plasma de quark-gluón, razonaron los científicos, las gotitas tendrían diferentes formas dependiendo de lo que golpeara el núcleo de oro. Golpear un protón crearía una gota redonda; un deuterón produciría una gota elíptica, y helio-3 haría una gota triangular.
Dicha gota viviría solo 100 mil millones de billonésimas de segundo antes de que el intenso calor hiciera que la gota se expandiera tan rápidamente que explotara en una ráfaga de otras partículas.
Al medir estos restos de partículas, los investigadores reconstruyeron la gota original. Buscaron formas elípticas y triangulares en cada uno de los tres tipos de colisiones, haciendo seis mediciones totales. Los experimentos tomaron varios años, y al final, los investigadores detectaron las formas reveladoras, lo que sugiere que las colisiones crearon gotas del tamaño de protones.
"Con un conjunto completo de seis mediciones, es difícil que haya una explicación diferente, excepto por la imagen de la gota", dijo Nagle a Live Science.
Si bien los resultados son convincentes, Noronha-Hostler dijo que aún no está completamente segura. Los investigadores aún necesitan mejores mediciones de los chorros que brotan de las colisiones de partículas. Si se formaron pequeñas gotas de líquido, los impactos entre los núcleos de oro y los protones, los deuterones o el heilum-3 deberían haber producido partículas de alta velocidad que formaron chorros, que luego habrían estallado a través de las gotas de quark-gluón recién creadas. A medida que el chorro zumbaba a través del fluido, habría perdido energía y disminuido la velocidad, como una bala que viaja a través del agua.
Pero hasta ahora, las mediciones muestran que los chorros no perdieron tanta energía como se predijo. Los experimentos futuros, como la versión mejorada de PHENIX que se lanzará en 2023, deberían ayudar a los físicos a comprender mejor lo que está sucediendo y a determinar con seguridad si pueden existir gotas tan pequeñas, dijo Noronha-Hostler.
