A menudo se dice que en sus primeros momentos el universo estaba en un estado caliente y denso. Si bien esa es una descripción razonablemente precisa, también es bastante vaga. ¿Qué era exactamente lo que estaba caliente y denso, y en qué estado estaba? Responder a esa pregunta requiere tanto un modelado teórico complejo como experimentos de alta energía en física de partículas. Pero como muestra un estudio reciente, estamos aprendiendo bastante.
Según la física de partículas y el modelo cosmológico estándar, la materia apareció en el primer microsegundo del universo. Se cree que esta materia inicial es una densa sopa de cuarajas que interactúan en un mar de gluones. Este estado de la materia se conoce como Quark-Gluon Plasma (QGP). El comportamiento de QGP se rige por la fuerza fuerte, siguiendo las leyes de la cromodinámica cuántica (QCD). Si bien entendemos el QCD relativamente bien, las matemáticas de la teoría son tan complejas que son difíciles de calcular. Incluso con los superordenadores, es difícil calcular el estado de las interacciones densas de quark-gluón.
La alternativa es usar el gran colisionador de hadrones en el CERN. Aplasta las partículas casi a la velocidad de la luz, y puedes crear una sopa de quark-gluón durante un breve momento. La Colaboración ALICE analizó estos tipos de colisiones para estudiar no solo el estado de QGP, sino también cómo el plasma hace las transiciones para formar hadrones. Los dos tipos más comunes de hadrones son los protones y los neutrones, que constituyen los núcleos de los átomos.
Uno de sus sorprendentes descubrimientos es que el plasma de quark-gluon no se comporta como un gas denso, similar a otros plasmas. En cambio, QGP actúa como un líquido denso más análogo al agua. Como resultado, su densidad general es más suave. Esta diferencia es sutil, pero podría contener las claves para comprender el cambio crítico que probablemente ocurrió en el universo temprano.
En el modelo cosmológico estándar, el universo primitivo sufrió un cambio de fase dramático para transformarse en el universo que vemos hoy en día. Antes del período QGP, el universo tenía un período de expansión exponencial. Casi instantáneamente, el universo observable se expandió en un factor de 1026 y se enfrió en un factor de 100.000. Esta expansión y superenfriamiento inició el período QGP, por lo que comprender su comportamiento fluido nos ayuda a estudiar ese período de transición.
Todavía hay mucho que aprender sobre el universo primitivo. Estudios como estos de la colaboración de ALICE son cruciales para nuestra comprensión. Empujan los límites de la física de alta energía y continúan revocando nuestras expectativas.
Referencia: Acharya, S., et al. «Mediciones de acumulantes armónicos mixtos en colisiones Pb-Pb en sNN= 5,02 TeV«.Letras de Física B (2021): 136354.
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