Casi tan caliente como el Big Bang

Cuando la materia se calienta hasta temperatura extrema, tan extrema como 100.000 veces la del centro del Sol, suceden cosas raras. Los ¨¢tomos dejan de ser ¨¢tomos e incluso los n¨²cleos at¨®micos se disgregan en sus componentes fundamentales para formar un nuevo estado de la materia, una sopa de part¨ªculas con propiedades ex¨®ticas. As¨ª debi¨® de ser el universo al principio, en los primeros instantes despu¨¦s del Big Bang, mucho antes de que al expandirse y enfriarse aquel cosmos primitivo pudieran formarse los ¨¢tomos y luego las estrellas, las galaxias, los planetas...

?C¨®mo reproducir en el laboratorio esas condiciones de alt¨ªsima temperatura? El gran acelerador de part¨ªculas LHC, en el Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN, junto a Ginebra), adem¨¢s de servir para cazar el famoso bos¨®n de Higgs, sirve para generar min¨²sculas gotas de esa sopa supercaliente de part¨ªculas elementales (quarks y gluones). Pero, para ello, en lugar de acelerar y colisionar protones, hay que acelerar y hacer chocar plomo, o m¨¢s bien, n¨²cleos de plomo. Uno de los grandes experimentos del LHC, el Alice, est¨¢ especializado precisamente en la exploraci¨®n de ese microcosmos ardiente y cuenta con un mes al a?o de colisiones de plomo acelerado en el LHC o, como se ha ensayado hace unos pocos d¨ªas, de plomo contra protones.

¡°El plasma de quarks y gluones debi¨® de ser el estado de la materia m¨¢s abundante, si no el ¨²nico, durante las primeras milmillon¨¦simas de segundo tras el Big Bang, pues la temperatura que reinaba por aquel entonces era de un bill¨®n de grados cent¨ªgrados, lo que equivale a un 1 seguido de 12 ceros, es decir, un mill¨®n de veces la temperatura del interior del Sol, que no de la superficie, que est¨¢ en unos 6.000 grados¡±, comenta Gin¨¦s Mart¨ªnez, director de investigaci¨®n del CNRS franc¨¦s, que lidera el equipo de Alice de su laboratorio en Nantes. ¡°En el LHC nos acercamos pues a esas temperaturas del principio del universo al crear microgotas de ese plasma de quarks y gluones que duran una billon¨¦sima de billon¨¦sima de segundo¡±, contin¨²a.

En las colisiones del acelerador LHC se han alcanzado 5,5 billones de grados

¡°Con Alice tenemos la oportunidad de observar y estudiar las propiedades de ese estado primordial de la materia¡±, explica Despina Hatzifotiadou, f¨ªsica del experimento. De momento, contin¨²a, en las semanas de colisiones plomo/plomo que ya se han hecho en el LHC, en 2010 y 2011, se ha observado c¨®mo esta sopa de quarks y gluones se comporta como un l¨ªquido perfecto, pr¨¢cticamente sin fricci¨®n, y opaco. ¡°Adem¨¢s, hemos batido un r¨¦cord al crear la mayor temperatura en el universo: unos 5,5 billones de grados kelvin¡±, a?ade. Es la temperatura que tendr¨ªa el universo 10 milmillon¨¦simas de segundo despu¨¦s de la gran explosi¨®n inicial, dice Carlos Pajares, que lidera el grupo espa?ol de la Universidad de Santiago que participa en Alice. ¡°Se trata de estudiar precisamente la transici¨®n de fase entre el estado de las part¨ªculas elementales tal y como est¨¢n en los componentes del n¨²cleo at¨®mico a esa sopa de quarks y gluones¡±, a?ade este f¨ªsico te¨®rico.

En el LHC estaba previsto que tras la fase actual de colisi¨®n de protones (hasta final de a?o) hubiera un mes de colisiones de plomo/plomo en enero. Pero han cambiado ligeramente los planes, explica Hatzifotiadou, y ser¨¢n choques de haces de plomo contra haces de protones, lo que permitir¨¢ a los f¨ªsicos hacer comparaciones de las propiedades del plasma con diferentes tipos de colisi¨®n.

Un millar de f¨ªsicos e ingenieros de 31 pa¨ªses trabajan en Alice, uno de los cuatro gigantescos detectores de part¨ªculas del LHC (otros dos, el Atlas y el CMS, tambi¨¦n aportan informaci¨®n en esta vertiente de la investigaci¨®n de la sopa de quarks y gluones). No hay que olvidar que aunque Alice se sit¨²e en los r¨¦cords de energ¨ªa y temperatura, la instalaci¨®n estadounidense RHIC avanz¨® mucho en este camino del nuevo estado de la materia en la ¨²ltima d¨¦cada, recuerdan los expertos. All¨ª se crearon, hace 10 a?os, las primeras gotas de la sopa de quarks y gluones, apunta Mart¨ªnez.

Los quarks parecen prisioneros eternos confinados dentro de los protones

Es todav¨ªa un misterio sin resolver por qu¨¦ los protones y los neutrones de los n¨²cleos de los ¨¢tomos tienen una masa cien veces superior a la de los quarks que los forman y por qu¨¦ sus quarks parecen ser sus prisioneros eternos.

Para entender estos dos problemas hay que repasar un poco la composici¨®n del ¨¢tomo, que est¨¢ formado por un n¨²cleo y electrones; el n¨²cleo, a su vez, est¨¢ formado por protones y neutrones y cada uno de estos, por tres quarks, unidos por la denominada fuerza fuerte, de la que se ocupan los gluones. Pues bien, los quarks no se pueden separar unos de otros, est¨¢n confinados dentro del prot¨®n o del neutr¨®n, y cuanto m¨¢s fuerte intenta uno separarlos, m¨¢s fuertemente se unen. Es como si estuvieran sujetos con una goma (los gluones), que resulta m¨¢s y m¨¢s dif¨ªcil estirar cuanto m¨¢s tensa est¨¢. Pero a partir de un momento, a muy alta temperatura, la goma se rompe y esas part¨ªculas elementas, en libertad, forman la famosa sopa, explica Pajares. ?C¨®mo? ?Por qu¨¦? ?Qu¨¦ reglas rigen esa transici¨®n y sus propiedades? Este es el terreno de los f¨ªsicos de Alice.

Otro misterio pendiente es el de la masa del prot¨®n. Resulta que los tres quarks que lo forman ¡°representan solo el 1% de su masa, esa cuyo origen se explica con el mecanismo del bos¨®n de Higgs¡±, argumenta Mart¨ªnez. ?Y el resto? ¡°El 99% restante de la masa se crea por el proceso de confinamiento de quarks¡±, a?ade.