Plasma quark-gluón: por qué es importante su estudio?

Para comenzar es necesario recordar que existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: gravedad, electromagnetismo, interacción nuclear débil, y la interacción nuclear fuerte 

 Esta última es la que mantiene a los quarks ligados formando partículas compuestas llamadas hadrones (se le llama hadrón a toda partícula compuesta por quarks) como el protón y el neutrón. 

De la misma manera que los bosones W+, W– y Z0 son los mensajeros de la interacción nuclear débil y el fotón del electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte es mediada por un bosón llamado gluón, y es el intercambio de gluones lo que mantiene a los quarks ligados formando hadrones.

Una millonésima de segundo después del big bang, el universo era una sopa caliente de partículas fundamentales, los quarks y los gluones formaban esta sopa que los físicos llaman plasma quark-gluón. Al expandirse, el universo disminuyó su temperatura y de la misma manera que las moléculas de agua se ordenan cuando baja la temperatura para formar hielo, los quarks se unieron a otros quarks para formar los primeros hadrones. Este proceso no se sabe cómo ocurrió y los físicos esperan comprenderlo colisionando iones pesados para recrear esas condiciones de alta densidad y temperatura que habían en el universo temprano. 

Al colisionar iones a altas energías (velocidad), los quarks y gluones quedan libres, es decir, los hadrones que forman el núcleo pesado de los iones se despedazan en sus constituyentes, esto forma el plasma quark-gluón por una fracción de segundo, ya que los quark rápidamente se recombinan para formar nuevos hadrones. De esta manera los físicos esperan comprender el origen de los primeros hadrones, partículas cuyos más estables miembros son el protón y el neutrón, los que sabemos forman el núcleo de todos los átomos que existen, los que a su vez forman moléculas, las que forman estructuras más complejas como proteínas, las cuales son fundamentales para la vida…

Además del anhelo por comprender cómo los quarks forman gluones, existe otro gran misterio en el estudio de la fuerza nuclear fuerte. Los nucleones (protones y neutrones)  pueden ser removidos del núcleo y observarse en forma aislada, es decir, tanto neutrones como protones han sido observados fuera del núcleo; sin embargo lo mismo no ocurre con los quarks: siempre son observados en lo que los físicos llaman estados ligados, es decir, parece ser imposible observar gluones o quarks aislados. 

Esto se debe a una propiedad de las interacciones fuertes llamada confinamiento, que como su nombre sugiere mantiene a los quarks formando hadrones y evita que estén libres. 

Sin confinamiento la materia no existiría como la conocemos, sin embargo el mecanismo que gobierna el confinamiento es completamente desconocido. 

Ya que en plasma quark-gluón estas partículas se comportan como si fuesen libres por una fracción de segundo, los físicos esperan comprender algo acerca de cómo funciona el confinamiento.

Estructura interna básica de un protón

Si todo lo anterior no es suficiente para motivar el estudio del plasma quark-gluón, existe una razón muy simple por la cual los físicos quieren romper nucleonesen el LHC: un protón está constituído por dos quarks up (con una masa en reposo promedio de unos 3 MeV* cada uno) y un quark down (con una masa en reposo promedio de unos 5 MeV), lo que suma aproximadamente 11 MeV, sin embargo la masa de un protón en reposo es aproximadamente 940 MeV! Esto significa que la masa del protón es cerca de 85 veces la de sus constituyentes!** 

Los físicos esperamos entender qué forma la fracción desconocida de la masa dentro del protón (lo mismo ocurre con el neutrón) estudiando el plasma quark-gluón.

Estos son los principales motivos por lo cuales el estudio del plasma quark-gluón es relevante y a lo que se dedicará el LHC durante las próximas semanas antes de ser apagado por mantenimiento a principios de diciembre para volver a funcionar con protones en febrero de 2011.

Simulaciones de las colisiones de iones pesados basadas en complejos cálculos pueden encontrarse en la web del grupo de dinámica cuántica molecular ultra relativista.

*: en física de altas energías la masa de las partículas se mide en unidades de energía, 1 MeV = 1.8×10-30 kg.

**: notar que hemos sido muy cuidadosos al indicar que estas son las masas en reposo, esto es porque cuando partículas forman un sistema compuesto (p. ej. quarks en el nucleón), los constituyentes adquieren lo que los físicos llaman masa efectiva, debido a que la energía de interacción que los mantiene unidos tiene un equivalente en masa, como nos enseñó Einstein: E=mc2.