Observaciones astronómicas indican que hace unos 13,700 millones de años ocurrió la Gran Explosión, el Big Bang, con lo que dio inicio la creación del Universo. Instantes después de este acontecimiento, la materia que compone todo lo que vemos a nuestro alrededor estaba altamente concentrada en una pequeña región, sometida a una temperatura extremadamente alta. En esta bola caliente (aproximadamente 5 billones de grados Celsius, equivalente a 300 mil veces la temperatura que encontramos en el interior de nuestro Sol) las partículas elementales conocidas como quarks y gluones se movían libremente, formando lo que podríamos llamar una “sopa nuclear”, ahora conocida como plasma de quarks y gluones. Al mismo tiempo que el Universo se expandía, la temperatura caía abruptamente permitiendo que dichas partículas se agruparan bajo la acción de la fuerza nuclear fuerte. Unos 10 microsegundos después del Big Bang, los quarks y gluones ya habían formado los protones, neutrones y otras partículas similares, llamadas hadrones. Este proceso aprisionó a los quarks y gluones en el interior de tales partículas, impidiendo verlos libres nuevamente en el estado que se encontraban hace miles de millones de años, al inicio del Universo. Visto en este contexto, los protones y neutrones que componen los núcleos de los átomos que conocemos hoy en día, son un vestigio de una transición de fase cósmica, es decir, un cambio brusco en la constitución de la materia primordial (un ejemplo de transición de fase lo encontramos en la solidificación del agua, cuando pasa del estado líquido al sólido). Este proceso que sufrieron los quarks y gluones, se conoce como hadronización de quarks y gluones y ha sido objeto de intensos estudios en años recientes – tanto a nivel teórico como experimental – mismos que han desembocado en notables avances en la comprensión de este fenómeno. Por ejemplo, dichos estudios señalan que es la fuerza nuclear fuerte la causa del confinamiento de los quarks y la que impide que éstos se alejen unos de otros a distancias mayores que el tamaño de los núcleos atómicos (de alrededor de 10 billonésimas de cm) Los mismos estudios también indican que en el interior de los hadrones dicha fuerza prácticamente desaparece permitiendo a los quarks moverse libremente en el interior de los hadrones. Este curioso comportamiento de las interacciones nucleares fuertes entre quarks y gluones se conoce como “libertad asintótica” y ha sido establecido e incorporado en la teoría de la fuerza fuerte: la Cromodinámica Cuántica (QCD). Otro gran avance en este campo ha sido el reconocer que se pueden reproducir las condiciones físicas que dieron origen alguna vez al plasma de quarks y gluones haciendo chocar núcleos de átomos pesados entre sí, a muy altas energías. Experimentos realizados en el Brookhaven National Laboratory (en Nueva York, Estados Unidos) con el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) y en el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), en Ginebra, Suiza, usando el Gran Acelerador de Hadrones (LHC), han mostrado señales contundentes a favor de la aparición de este plasma en colisiones entre núcleos de oro y de plomo, respectivamente. Por el hecho de que estas máquinas aceleradoras de partículas nos permiten recrear las condiciones primigenias del Universo, se les puede considerar como máquinas del tiempo. Y debido a que dichos instrumentos nos permiten observar materia primordial que al día de hoy pudiera sólo ser detectada a distancias astronómicas, muy alejadas de nuestro planeta, estas máquinas bien pueden ser tomadas como telescopios ultrapoderosos.

Mini Bangs en el laboratorio

El LHC del CERN, localizado en la periferia de la ciudad de Ginebra, se convirtió en el primer instrumento en el mundo capaz de hacer chocar entre sí haces de núcleos de plomo, viajando a velocidades ultrarelativistas, a las mayores energías disponibles en un laboratorio terrestre. La energía que se concentra en el punto de colisión de estos núcleos atómicos es suficiente para producir mini bangs, esto es, pequeñas explosiones con densidades de energía cercanas a la del Big Bang. Los choques entre estos núcleos pesados, compuestos cada uno de 208 nucleones (protones o neutrones que conviven en el núcleo atómico) producen las condiciones necesarias para generar un plasma de quarks y gluones como aquel que apareció en los primeros microsegundos de vida del Universo. Este plasma corresponde a un nuevo estado de la materia caracterizado por tener altas temperaturas, del orden de 5 billones de grados Celsius y densidades muy superiores a la del interior de los hadrones conocidos, del orden de 300 billones de Kg/m3.

El Experimento ALICE-LHC del CERN

El Experimento ALICE (Experimento de colisiones de iones pesados), está localizado en CERN, y está compuesto por un gigantesco detector diseñado para el estudio del plasma de quarks y gluones, mismo que es creado en las colisiones entre núcleos atómicos pesados acelerados por el LHC. ALICE está conformado por varios instrumentos de detección acomodados como las capas de una cebolla. Entre estos instrumentos destacan: la Cámara de Proyección Temporal (TPC), que nos permite reconstruir con una enorme precisión la trayectoria de las partículas que resultan de las colisiones entre haces de partículas del LHC; el detector V0, que permite conocer la calidad del haz de partículas del acelerador LHC y que anuncia si un evento de colisión es de suficiente calidad para que ALICE registre y almacene la información producida por todos los sistemas de detección del aparato; y ACORDE, un detector de rayos cósmicos y de muones (partículas muy energéticas y penetrantes, similares a electrones pero con mayor masa) que permite la calibración de la TPC y realizar estudios astrofísicos en el experimento ALICE (ver Figura 1). Un evento típico registrado por ALICE se puede ver en la Figura 2. En ella se muestra el resultado de una colisión de tipo central entre núcleos de plomo a energías del LHC. Este evento es uno de los registrados a finales del año pasado. El análisis físico riguroso y sistemático de eventos como este ha permitido obtener resultados valiosos que han llevado a un buen número de publicaciones científicas en revistas especializadas sobre las características del plasma de quark y gluones. Entre los principales estudios que se están realizando, podemos mencionar aquellos sobre la energía y el número de hadrones producidos después de que la bola de fuego colapsa y que tienen como objetivo indagar el comportamiento de las partículas que forman el plasma. También se ha estudiado la supresión en la producción de hadrones J/y, señal inequívoca de la presencia del plasma de quarks y gluones.

El experimento ALICE tomó por primera vez datos de colisiones entre núcleos de átomos de plomo a finales de 2010. Esta experiencia se repitió nuevamente durante los meses de noviembre y de diciembre del año pasado. Se tiene planeado continuar con estos experimentos hasta finales de la década, incrementando todavía más la energía disponible en la colisión de los haces de núcleos pesados. Inclusive, se piensa producir choques entre núcleos ligeros (iones de átomos de hidrógeno) y núcleos de átomos pesados (como el plomo) para tratar de estudiar la dependencia del plasma en función del número atómico de los núcleos interactuantes.

México en en el ALICE

Estudiantes de física, computación y electrónica (licenciatura y posgrado) junto con investigadores del CINVESTAV, BUAP, Universidad Autónoma de Sinaloa y UNAM han participado en la construcción y operación de los sistemas de detección del experimento ALICE y colaboran actualmente en el análisis de los datos obtenidos en la interacción de protones y núcleos atómicos a las energías del LHC, en el CERN. También han participado en el diseño, construcción y operación del detector ACORDE del experimento ALICE. Más aún, de estos trabajos se han desprendido diferentes desarrollos tecnológicos que han llevado al registro de patentes. Queda aún un largo camino por recorrer para comprender las propiedades del plasma de quark y gluones. Sin duda, ALICE tiene aún mucho que aportar al conocimiento de este nuevo estado de la materia.

Dr. Arturo Fernández Téllez investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

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