✨︎ Resumen (TL;DR):
- ALICE, ATLAS, CMS y LHCb reportaron señales del plasma de quarks y gluones en colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón.
- ATLAS observó pérdida de energía en chorros de partículas y ALICE midió una señal de 4.9σ en colisiones de oxígeno.
- Los resultados sugieren que este estado de la materia puede aparecer en sistemas mucho más pequeños que los núcleos de plomo.
El CERN informó que sus cuatro experimentos principales, ALICE, ATLAS, CMS y LHCb, encontraron nuevas señales del plasma de quarks y gluones en colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón. La materia formada en esos choques alcanza temperaturas superiores a 100,000 veces la del centro del Sol, lo que permite estudiar condiciones parecidas a las de las primeras millonésimas de segundo del universo y evaluar si este estado aparece en núcleos mucho más pequeños que el plomo.
Durante décadas, los físicos pensaron que este estado solo podía generarse al hacer colisionar núcleos pesados, como los de plomo. Los datos recientes del LHC apuntan a que también puede aparecer en sistemas mucho más pequeños.
El plasma de quarks y gluones es un estado de la materia en el que los protones y neutrones dejan de conservar su estructura habitual. Sus componentes fundamentales, los quarks y los gluones, pueden moverse dentro de un medio extremadamente caliente y denso.
El CERN registró las primeras colisiones de oxígeno en 2025. Un año después, ALICE, ATLAS, CMS y LHCb presentaron señales complementarias que refuerzan la hipótesis de que estos sistemas ligeros producen un plasma capaz de afectar el comportamiento de las partículas que atraviesan la colisión.
Cuatro experimentos siguen señales distintas
El contraste de escala es considerable. Un núcleo de oxígeno tiene 16 nucleones, mientras que los núcleos de plomo utilizados en otros estudios contienen alrededor de 200 nucleones. Esta diferencia permite investigar qué tamaño debe alcanzar una colisión para producir efectos asociados con el plasma.
Las colaboraciones encontraron distintas huellas:
- ATLAS: observó el llamado jet quenching, una pérdida de energía que desequilibra los pares de chorros producidos en la colisión. El efecto fue más fuerte en los choques frontales y superó el umbral de cinco desviaciones estándar.
- ALICE: comparó la producción de piones neutros en colisiones de oxígeno-oxígeno y protón-oxígeno. La diferencia permitió separar la pérdida de energía de otros efectos nucleares y produjo una señal a 4.9σ de la hipótesis nula.
- CMS: detectó una reducción en la producción de partículas cargadas en colisiones de oxígeno y neón frente a las colisiones entre protones. También encontró una supresión diferenciada en mesones upsilon, formados por un quark bottom y su antiquark.
- LHCb: observó que la supresión de partículas compuestas por un quark charm y un quark ligero era más fuerte en las colisiones de neón que en las de oxígeno. El patrón es compatible con un plasma de mayor volumen.
- ALICE: identificó un flujo anisotrópico preliminar. Las partículas formadas por tres quarks, conocidas como bariones, mostraron una emisión direccional más fuerte que los mesones, compuestos por dos quarks.
David Chinellato, coordinador de Física de ALICE, explicó:
“La evidencia de pérdida de energía de partones que establecimos en colisiones de oxígeno está a 4.9σ de la hipótesis nula, lo que significa una probabilidad de 1 entre 2 millones de que se deba al azar”
El dato de 4.9σ de ALICE y el resultado de ATLAS, que superó cinco desviaciones estándar, no provienen del mismo análisis. ATLAS midió el desequilibrio de los chorros, mientras que ALICE estudió la pérdida de energía mediante piones neutros. Ambas mediciones observan manifestaciones distintas de un fenómeno relacionado.
Cómo se detecta un plasma que desaparece en un instante
Los quarks y gluones producidos en la colisión se mueven a gran velocidad. Si atraviesan un medio denso, pierden parte de su energía antes de convertirse en las partículas que llegan a los detectores. Ese proceso se conoce como pérdida de energía de partones.
Los chorros de partículas permiten rastrear esa pérdida. En una colisión entre protones, dos chorros suelen salir en direcciones opuestas con energías parecidas. Si uno atraviesa una región más grande de plasma, llega con menos energía y el par aparece desequilibrado.
También importa la centralidad de la colisión. Los choques frontales generan una región de materia más grande y producen una pérdida de energía más marcada. En colisiones periféricas, el efecto se parece más al observado entre protones.
Además de los chorros, las colaboraciones revisaron partículas específicas. La supresión de estados ligados de quarks pesados, la producción de piones y el flujo colectivo aportan pruebas distintas sobre el medio creado en el LHC.
La incógnita: ¿cuál es el tamaño mínimo?
Los resultados todavía no fijan un límite exacto para el tamaño necesario. Sí muestran que el comportamiento asociado con el plasma aparece en sistemas mucho más pequeños que los utilizados históricamente para estudiar la materia nuclear caliente.
Eso deja dos posibilidades: que el plasma necesite una región extensa para comportarse de forma colectiva o que algunas de sus propiedades surjan incluso en gotas diminutas creadas durante una colisión.
El LHC de Alta Luminosidad permitirá obtener más datos cuando entre en operación. Las próximas mediciones podrán comparar con mayor precisión cómo cambian la pérdida de energía, el flujo y la supresión de partículas al pasar de protones a oxígeno, neón y núcleos más pesados.
El LHC está convirtiendo una colisión de apenas unos núcleos en una herramienta para estudiar la materia que llenó el universo temprano. El hallazgo no reconstruye el Big Bang, pero reduce el tamaño del laboratorio necesario para investigar sus primeras condiciones físicas. La pregunta pendiente es si el comportamiento colectivo exige una región extensa o también aparece en estas gotas diminutas.
