17/Oct/04

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Un universo líquido

Una mirada profunda dentro de la estructura fundamental de la materia implica ir miles de millones de años atrás en el tiempo, hasta el momento en que la materia apareció por primera vez. Recrear las condiciones de aquel momento ha sido durante mucho tiempo un objetivo de los físicos, quienes desean entender cómo evolucionó el universo desde que era una bola de fuego cósmica que duró una fracción de segundo luego del Big Bang. Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven de Upton, New York, han recreado finalmente, casi con certeza, los momentos posteriores a la creación. El universo de entonces habría sido más como un líquido que como un gas.

(Spacedaily.com) Al hacer colisionar núcleos a velocidades enormes, estos investigadores de Colisiones Relativistas de Iones Pesados (RHIC, por sus siglas en inglés), pudieron analizar la estructura de la materia nuclear. La mayoría de los expertos coincide en que el resultado es la formación de un largamente buscado plasma, el cual se cree es la materia primordial del cosmos, y el estado de la materia en el principio de los tiempos.

Al parecer, entonces, la naturaleza de la materia está inextricablemente unida al vacío en el cual reside. Y los experimentos de RHIC han arrojado algunas sorpresas. Parecen demostrar que el vacío es un lugar más rico y complicado que lo previamente imaginado.

La sugerencia es que el límite entre "algo" y "nada" es más difusa de lo que los expertos habían predicho. La materia hecha en RHIC es un plasma consistente de quarks y gluones, los componentes más básicos de todo lo que nos rodea.

Los quarks se combinan en tríos para formar los protones y neutrones que componen el núcleo de todo átomo. Pero mientras que se puede observar un protón o neutrón aislado, no podemos observar un quark. Los quarks están confinados a perpetuidad a vivir en grupo. De hecho, cuanto más se los trate de separar, mayor se vuelve la fuerza que los une. Esto es parte de la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que describe cómo la fuerza entre los quarks es transportada por gluones sin masa.

En QCD, es el vacío lo que aprisiona a los quarks. Aunque pueda sonar como un lugar estéril, el vacío de la QCD es una arena compleja y dinámica. Tiene partículas virtuales que aparecen en pares, luego se aniquilan y vuelven a desaparecer. Es frecuentado por criaturas extrañas de diversas clases, así como por nudos y torceduras topológicamente complejos, emparentados con los "wormholes", que son lugares donde el espacio se retuerce sobre sí mismo y parece traicionero.

Estos nudos y torceduras trazan trayectorias para que viajen los gluones, manteniendo juntos los quarks. Estas extrañas ideas tienen consenso debido al éxito de la QCD en predecir las reacciones de las partículas fundamentales. La única manera de despegar a los quarks es "derretir" el vacío entre ellos. Pero el vacío no permite esto fácilmente.

Para arrasar este terreno escarpado se requieren enormes cantidades de energía concentrada, que se encuentran solamente en las poderosas colisiones nucleares, o en la bola de fuego de los primeros momentos del tiempo. "Derretir" el vacío es como volver al estado del universo en que existió por primera vez.

El grupo RHIC en Brookhaven se formó para hacer precisamente esto, y sus experimentos han sido diseñados para permitir que los físicos estudien lo que pasa cuando el vacío se calienta tanto que los quarks y gluones se liberan y la materia revierte hacia un estado fundamental.

Desde el año 2000, el RHIC ha enviado repetidamente dos rayos de núcleos de oro, cada uno con cientos de protones y neutrones, acelerándolos en direcciones opuestas en trayectos de unos cuatro kilómetros. Dirigidos por imanes superconductores y con energías de 100 mil millones de electrovoltios, colisionan y producen una bola de fuego 300 veces más caliente que la superficie del sol.

Dentro de la bola de fuego se desatan miles de quarks. Cuando, por azar, dos quarks chocan entre ellos, la energía extrema de su colisión se convierte en materia.

Un par de partículas virtuales del vacío obtienen suficiente energía para hacerse reales, y vuelan separadas en direcciones opuestas. Cada una de ellas continúa arrastrando otros pares de partículas del vacío, y el proceso se repite una y otra vez, creando corrientes de partículas llamadas "jets".

Los "jets"se escapan del sitio de la colisión y eventualmente son capturados por detectores. Estos "jets" revelan la presencia del plasma de quarks y gluones. El tiempo de vida del plasma es meramente de unos 10^-23 segundos.

Pero esto no es suficiente tiempo para que las partículas de los "jets" sean bloqueadas a medida que los "jets" avanzan. Los "jets" siempre se producen en pares y salen en direcciones opuestas. Pero raramente se originan en el centro exacto del sitio de la colisión, así que usualmente un "jet" avanza más que el otro hasta golpear un detector.

Si se formó el plasma de quark y gluones, toma partículas de un "jet" más que del otro. Entonces, cuando los investigadores de los cuatro detectores del RHIC ven "jets" impares emergiendo, saben inmediatamente que el plasma de quark y gluones pudo causar este efecto.

"Muchos físicos teóricos y algunos experimentales dicen que está claro que este es 'el' descubrimiento", dice Thomas Kirk, director asociado del laboratorio de alta energía y física nuclear en Brookhaven.

Pero algunos experimentales en dicho laboratorio aún tienen cautela. Esto es en parte debido a una controversia surgida en el 2000, cuando los investigadores del CERN, el Centro Europeo de física de partículas en Ginebra, dijeron haber visto (según muchos expertos, equivocadamente) un indicio del plasma de quark y gluones allí.

Parte de las dudas en Brookhaven es por haber hallado efectos raros y desconcertantes en su plasma de quarks y gluones. "Es diferente de lo que habíamos pensado que sería", dice Kirk, "es una clase nueva".

Antes de los experimentos del RHIC, los investigadores habían supuesto que la estructura del vacío se "derretiría" fácilmente una vez que la energía excediera los 170 millones de electrovolts, la energía a la cual se forma el plasma.

A esta energía, los cálculos sugieren que el plasma sería como un gas con interacciones débiles, con quarks y gluones flotando al azar sin ocuparse apenas unos de otros. Los investigadores imaginaron que las corrientes de "jets" a través de la bola de fuego encontraría sólo una leve resistencia en su camino.

Sin embargo, las mediciones confirman lo que el año pasado sorprendió a los investigadores. No sólo hay "jets" impares, sino que su absorción por el plasma era diez veces más alta de lo que cualquiera hubiese esperado. "Dado que el plasma de quarks y gluones es tan opaco, estos quarks simplemente no pueden hacer un jet", explica Kirk.

Las partículas del "jet" parecen quedar pegadas en el plasma, como moscas en la miel. Esto significa que el plasma de quarks y gluones es extremadamente denso —entre 30 y 50 veces más denso que lo predicho— lo que sugiere que los quarks en el plasma están exhibiendo un comportamiento grupal increíblemente sincronizado, y una interacción fuerte unos con otros y los gluones que los rodean.

Esto hace al plasma más semejante a un líquido que a un gas. "En vez de volar pasando unas a otras, como en un gas, en un líquido las partículas se mueven más coherentemente", dice el físico Edward Shuryak, director del Centro de Teoría Nuclear en la Universidad Stony Brook de New York. De hecho, la fuerza de las interacciones en el plasma de quarks y gluones lo convierte en el líquido más ideal jamás observado, ya que sería entre 10 y 20 veces más líquido que el agua.

"Eso fue sorprendente", dice Shuryak. "Si uno pudiera tomar unos pocos miles de moléculas de agua, como en una minúscula gota, y las hace explotar, no fluirían sino que se moverían más individualmente. Pero estos miles de partículas [las del plasma] en realidad se mueven coherentemente". Parece que desde el momento del Big Bang hasta 10 microsegundos más tarde, el universo fue líquido.

(Parte de este artículo apareció en el ejemplar de New Scientist del 16 Octubre 2004)