Los quarks pesados desvelan los secretos del universo temprano exprés
En 2010, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones obtuvieron por primera vez plasma de quarks y gluones —un estado de la materia en el que los quarks y gluones están libres, como el agua en vapor, y no encerrados dentro de protones y neutrones. Ahora, la colaboración ALICE ha estudiado cómo se mueven en ese medio las partículas encantadas, aquellas que contienen el quark c pesado. El modelo estándar predice que los quarks c deben nacer en los primeros instantes de la colisión y luego interactuar con el plasma, como una cuchara en la miel.
Los científicos colisionaron núcleos de plomo a una energía de 5,36 TeV por par de nucleones y reconstruyeron las trayectorias de los mesones D y los bariones lambda a partir de sus desintegraciones. Resultó que los bariones lambda, compuestos por tres quarks, están más 'alineados' con la dirección del plano de colisión que los mesones D, que tienen dos quarks. La diferencia es de 3,7 sigma —es como si en un flujo de coches, los camiones se pegaran más al arcén que los turismos.
Este comportamiento se explica por el mecanismo de fusión de quarks: los quarks ligeros del plasma se 'adhieren' al quark c pesado, formando un barión. Es como si en una multitud de corredores, un corredor pesado reuniera a su alrededor a compañeros de viaje, y todo el grupo se moviera de manera más coordinada. Si las partículas se formaran de forma independiente, no habría diferencia. Por tanto, las partículas encantadas realmente sienten el flujo colectivo del plasma.
Este resultado es un ladrillo más en la comprensión de cómo se comportaba la materia en los primeros microsegundos tras el Big Bang. Entonces, el universo estaba lleno de ese mismo plasma de quarks y gluones, y fue precisamente de él de donde más tarde se ensamblaron protones y neutrones, y luego átomos, estrellas y planetas.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2603.18966
The ALICE collaboration reports the azimuthal-anisotropy coefficient $$v_2$$ of prompt D$$^0$$, D$$^+$$, D$$^+_{\rm s}$$ mesons and the first measurement of $$v_2$$ of prompt $$\Lambda_{\rm c}$$ baryons in semicentral Pb$$-$$Pb collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair of $$\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$$ TeV. The D mesons and $$\Lambda_{\rm c}$$ baryons are reconstructed in their hadronic decays at midrapidity ($$ |y|<0.8$$) in the transverse-momentum interval $$0.5< p_{\rm T} < 24$$ GeV/$$c$$. Similar $$v_2$$ values are measured for D$$^0$$ and D$$^+$$, while a hint of a difference ($$2.6\sigma$$) emerges between D$$^0$$ and D$$^+_{\rm s}$$ mesons in the $$1 < p_{\rm T} < 5 $$ GeV/$$c$$ interval. A larger $$v_2$$ for $$\Lambda_{\rm c}$$ baryons with respect to D$$^0$$ mesons is observed with $$3.7\sigma$$ significance for $$4 < p_{\rm T} < 12$$ GeV/$$c$$, providing evidence for the partonic origin of charm-hadron $$v_2$$ and hadron formation via quark coalescence. This interpretation is further supported by comparisons with theoretical calculations of charm-quark transport in a hydrodynamically expanding medium.
El plasma de quarks y gluones se obtuvo por primera vez en el colisionador RHIC en 2005, y en el Gran Colisionador de Hadrones se estudia desde 2010. La temperatura de este plasma alcanza los 5,5 billones de grados, es decir, 100 000 veces más caliente que el centro del Sol.
En la novela 'Quarks' de Isaac Asimov se describe una civilización que ha aprendido a extraer energía de las interacciones de quarks —una idea que resuena con el estudio del plasma de quarks y gluones como fuente de energía del universo temprano.