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En los primeros microsegundos después del Big Bang, surgió algo conocido como el quark-gluon plasma, un estado de la materia que sólo existe a una temperatura tan alta que supera 100 mil veces la temperatura de la superficie del Sol, y que actualmente solo se puede estudiar si se recrean las condiciones que propiciaron su existencia.

Una de las físicas mexicanas que se dedican a ello es la investigadora Irais Bautista Guzmán, quien participó en el Seminario Ángel Dacal con la conferencia “Caracterización de la gota más pequeña del QGP (quark-gluon plasma)”, el pasado 13 de marzo en el Instituto de Física.

Bautista Guzmán es física por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP); cursó la maestría en Santiago de Compostela, España, e hizo el doctorado en física de partículas en colisión de iones pesados en la Universidad Técnica de Lisboa, en Portugal.

Desde 2015 trabaja en la BUAP como parte de las Cátedras de Investigación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), en el grupo de investigación de Arturo Fernández Téllez, responsable del grupo de científicos de la BUAP en el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), situado en Ginebra, Suiza.

“Entré al proyecto en octubre de 2015 porque me parece súper interesante el quark-gluón plasma. Es increíble que podamos reproducir las condiciones como las que teníamos dentro de los primeros micro segundos del Big Bang, es como una ventanita hacia el pasado”, dijo la investigadora a Noticias IFUNAM.

En caliente

Se piensa que después de que se formara este estado de la materia ultra caliente, el quark-gluon plasma, se originaron todo tipo de partículas, y consecuentemente, se transformaron en los átomos que constituyen toda la materia visible.

“Los físicos sabemos que los neutrones y protones que constituyen a los átomos están compuestos, a su vez, por pizcas de materia llamados quarks unidos por una especie de pegamento conocido como gluones”, explica la investigadora.

Aunque hasta la fecha no se han podido detectar quarks y gluones de manera directa porque siempre están atados y confinados en conjuntos que se conocen como hadrones, Irais Bautista sospecha que estas pequeñísimas partículas son la clave para entender cómo se formo la materia.

Para comprobarlo, la investigadora trabaja con aceleradores de partículas, específicamente en el Gran Colisionador de Iones (ALICE), perteneciente al LHC, donde se detectan colisiones de núcleos pesados como el del plomo.

En estos experimentos, las partículas son aceleradas para que tomen una gran velocidad y choquen unas contra otras tan fuertemente que se descompongan en las partículas más elementales de la materia y en un estado que solo existía tras el Big Bang.

Con los detectores de ALICE y una teoría conocida como la Cromodinámica cuántica (QCD), la cual le otorga una carga de color a los quarks [ u (up, arriba), d (down, abajo), s (strange, extraño), c (charm, encantado), b (bottom, fondo) y t (top, cima], los científicos como ella miden las partículas resultantes de la colisión para poder separarlos, distinguirlos, analizarlos y entender el estado que se forma en estas colisiones.

En paquetes confinaditos

“Después de la colisión, los quarks pasan por un estado inicial, donde están suspendidos en un vacío cuántico para posteriormente equilibrarse y hadronizarse (o ‘juntarse’, en términos coloquiales) a través del gluon”, explicó Bautista. Esto genera un estado colectivo que propicia el condensado de quark-gluon plasma.

Como este fenómeno sucede en milésimas de segundos, es difícil estudiar lo que sucede en la formación de ese condensado, así que la investigadora, con ayuda de la teoría de QCD, plantea que sería posible entender ese proceso a partir del estudio del confinamiento de un grupo más pequeño de quarks, al que se le denomina “gota”, y es equivalente hasta al 0.5 por ciento de la materia de una colisión nuclear.

Pero obtener teóricamente esa gota tiene su complejidad pues es necesario “estirar” los quarks de los hadrones hasta que la tensión entre sus ligaduras genere un rompimiento en partes más elementales. El problema es que la energía que se le aplica para ese estiramiento también ioniza el vacío cuántico y genera más partículas que rápidamente forman nuevos hadrones.

Así que el encanto del confinamiento es que al aplicar la energía en un volumen pequeño, en vez de generar nuevas partículas que se volverán hadrones, serán partículas sin ligaduras o interacciones entre 2 o 3 de ellas, lo que propicia que se vuelva un colectivo, un quark-gluon plasma.

Bautista utiliza un ejemplo para entenderlo mejor: “es como si juntáramos cubitos de hielo con 2 o 3 moléculas de agua. Si lo hacemos en un volumen pequeño, los comprimimos y además aumentamos la temperatura, habrá un cambio de fase y las moléculas ya no generarán nuevos cubitos, sino una gota de agua.

Es importante esta pequeña gota de quarks porque tiene propiedades diferentes al condensado de quark-gluón plasma, y corresponde a un momento anterior a la formación del condensado, por lo que, dice, “podríamos obtener más información sobre cómo interactuaron estas partículas cuando se formó nuestro Universo”.