El Big Bang en miniatura: científicos logran recrear el inicio del cosmos en un laboratorio

Un grupo internacional de científicos, liderado por investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, logró un hito en la física experimental: recrear en laboratorio el estado de materia que predominó en el cosmos durante su primera millonésima de segundo. Este avance, realizado en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Suiza, demuestra que es posible generar un “pequeño Big Bang” al utilizar núcleos atómicos significativamente más ligeros de lo que la ciencia consideraba posible hasta la fecha.

Tradicionalmente, la física de partículas sostenía que para fundir la materia nuclear en un estado de plasma de quarks y gluones, es decir la sopa primordial ultracaliente y densa que precedió a la formación de protones y neutrones, era imperativo emplear núcleos pesados, como los de plomo. Sin embargo, el experimento, enmarcado en la colaboración internacional ALICE y publicado recientemente en Physical Review Letters, desafió esta ortodoxia al utilizar isótopos de oxígeno-16 y neón-20. Los resultados confirmaron que estas colisiones a velocidades cercanas a la luz producen la misma sustancia primordial que los sistemas más pesados.

“Hemos superado los límites del tamaño mínimo que pueden tener los núcleos atómicos sin dejar de recrear esta materia primordial, lo que podríamos llamar un pequeño Big Bang”, afirmó el profesor asociado You Zhou, quien encabezó el equipo de investigación de la Universidad de Copenhague. Según el científico, este descubrimiento permite comprender con mayor precisión las condiciones fundamentales necesarias para que la materia transite hacia ese estado extremo, lo que ofrece pistas sobre la evolución temprana del universo.

La relevancia del hallazgo trasciende la mera recreación del plasma, ya que al no poder observar el plasma de quarks y gluones de forma directa debido a su brevísima existencia, los físicos midieron el rastro de las partículas resultantes tras su enfriamiento. Fue en ese momento cuando descubrieron un efecto inesperado: el patrón de movimiento de las partículas actúa como una sombra que delata la forma geométrica del núcleo original. Mientras que el oxígeno-16, al ser esférico, genera un patrón redondeado, el neón-20 produce una huella estirada, similar a la silueta de un bolo de bolera.

“Es un poco como iluminar un objeto y ver su sombra. No se puede ver el objeto directamente, pero su sombra revela su forma. Del mismo modo, el movimiento de las partículas revela la geometría de los núcleos que estaban presentes al comienzo de la colisión”, explicó Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, investigador posdoctoral y coautor del estudio. Esta capacidad de utilizar el plasma como un lente para observar la estructura nuclear representa, según los autores, un posible cambio de paradigma en el campo, ya que conecta la física de altísimas energías con los estudios tradicionales de estructura nuclear que fueron fundamentales desde los tiempos de Aage Bohr.

La investigación, apoyada por el proyecto ERC InitialConditions, sugiere que la relación entre los núcleos ligeros y el nacimiento del cosmos es más estrecha de lo que se suponía. Al comparar las colisiones entre diferentes sistemas ligeros, los investigadores pudieron reducir la influencia de otros factores y aislaron los efectos de la estructura nuclear inicial. Este método abre la puerta a investigar núcleos cuya arquitectura aún es un enigma y proporciona una herramienta poderosa para avanzar en la cromodinámica cuántica.

El siguiente paso en la hoja de ruta de la colaboración ALICE será repetir estos experimentos con núcleos aún más ligeros, como el helio-4, con el fin de determinar el límite exacto en el que el plasma de quarks y gluones deja de formarse. Con esta nueva metodología, la ciencia se acerca un poco más a descifrar las leyes que rigieron el caos inicial del universo.