Científicos exploran los misterios del plasma de quarks y gluones, clave para entender el origen de la materia

La materia que nos rodea está hecha de “ladrillos” llamados átomos, cuyos núcleos están compuestos por protones y neutrones. Estos, a su vez, están formados por diferentes combinaciones de tres piezas más pequeñas: los quarks.

En condiciones normales, esos quarks nunca se separan y es imposible detectarlos en forma libre, ya que están fuertemente confinados dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, si se logra colisionar iones pesados a muy altas energías, se puede producir una transición de fase, en la cual protones y neutrones se fragmentan, formando un nuevo estado exótico de la materia, denominado “plasma de quarks y gluones” (PQG).

Este estado existió en los primeros microsegundos del universo, cuando los quarks y gluones se encontraban “libres” y no encapsulados dentro del núcleo atómico, formando una especie de “líquido” caliente y denso. El plasma de quarks y gluones existe a temperaturas y densidades extremas, como las del Big Bang o al interior de estrellas de neutrones.

“Se sabe que estos campos electromagnéticos extremos se producen de forma natural en contextos astrofísicos, como en el interior de las estrellas de neutrones”, explica Enrique Muñoz, académico del Instituto de Física UC, quien lideró un encuentro para abordar este tema, el que reunió en la UC a destacados investigadores nacionales e internacionales expertos en el área, con el objeto de profundizar en la comprensión de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y los componentes básicos de la materia.

La cromodinámica cuántica que es la teoría que describe la fuerte interacción responsable de la unión de los núcleos atómicos. Estudiar las características de esa interacción es clave para la comprensión de las condiciones del Universo, la evolución de la materia y los procesos que llevaron a la formación de protones, neutrones y núcleos atómicos.

Además, permite responder preguntas abiertas, como cuál el rol de los campos eléctricos y magnéticos intensos generados durante las colisiones, en la transición de fase y el “puzzle de los fotones”, relacionado con la emisión de fotones detectada en estas colisiones, que aún no se explica completamente con los modelos actuales.

“El tema es actualmente un área muy dinámica en la física, que fomenta el diálogo continuo entre teóricos y experimentalistas. Esta investigación tiene una conexión directa con los principales colisionadores de partículas internacionales”, explica Cesar Bernardes, investigador brasileño que participó en el encuentro.

En esa línea, dice que el encuentro “facilitó debates en profundidad sobre los datos de estos experimentos a gran escala y proporcionó a la comunidad local una valiosa perspectiva sobre las futuras direcciones teóricas y experimentales del campo”.

Ciencia teórica y experimental

En el workshop participaron más de 30 investigadores de Estados Unidos, México, Brasil y Chile, en un evento mixto que reunió a científicos teóricos y experimentales, junto a sus estudiantes, que durante una semana analizaron las últimas investigaciones en el área.

La organización estuvo a cargo del profesor Enrique Muñoz, del Instituto de Física UC, en conjunto con investigadores del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM; la Universidad Técnica Federico Santa María; la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo y la Universidad San Sebastián. Además, contó con el apoyo de la Vicerrectoría de Investigación UC a través del “Fondo de Apoyo a la Organización de Reuniones Científicas y Seminarios 2025”.

A través de presentaciones, sesiones de pósters, debates y colaboraciones, los participantes discutieron los últimos avances, marcos teóricos y estudios fenomenológicos en esta área de frontera, que requiere dentro de su enfoque experimental, de colisionadores de iones de alta energía como los disponibles en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN.

Entre los asistentes, estuvieron el doctor Alexandru Dobrin y el doctor Fuqiang Wang (Purdue University), quienes trabajan en el análisis de señales del experimento ALICE en CERN; y el profesor Gabor David (Stony Brook University), un reconocido experto mundial en el análisis de señales del RHIC en Brookhaven National Lab.

“Los investigadores compartieron sus últimos resultados, respondiendo preguntas y planteando nuevas interrogantes que surgen a partir de las mediciones experimentales, con el objetivo de que quienes formamos parte de la comunidad teórica podamos proponer explicaciones” .- Enrique Muñoz, académico del Instituto de Física y organizador del encuentro internacional.

“Un taller mixto como este impulsa la innovación y promueve la colaboración entre físicos teóricos y experimentales, lo que puede generar nuevas ideas. Sirve como plataforma para que los participantes conecten, compartan sus investigaciones y forjen relaciones profesionales que puedan resultar en futuras colaboraciones. El taller fomenta la resolución creativa de problemas al integrar diversas metodologías y perspectivas”, reflexiona Alexandru Dobrin.

“Incluso en el mundo actual, con numerosas opciones de comunicación, la interacción directa entre teóricos y experimentalistas es la forma más eficiente de promover la ciencia”, señala, por su parte, el investigador Gabor David, de Stonybrook University. “Al comparar los cálculos teóricos con los resultados experimentales, es fundamental comprender las suposiciones o condiciones exactas que la otra parte planteó, a veces hasta el más mínimo detalle, que a su vez no suele incluirse en las publicaciones”. “Además, en mi experiencia, estos encuentros personales son los momentos en que surgen y se discuten nuevas ideas, como ‘qué se podría medir o qué se debería calcular’”, comenta.

“Estos investigadores compartieron sus últimos resultados, respondiendo preguntas y planteando nuevas interrogantes que surgen a partir de las mediciones experimentales, con el objetivo de que quienes formamos parte de la comunidad teórica podamos proponer explicaciones”, explica Enrique Muñoz.

Área prometedora

Esta área de investigación presenta perspectivas muy prometedoras para la próxima década. Tanto el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) están recopilando extensos conjuntos de datos, lo que facilitará mediciones de alta precisión en este campo.

“Esta riqueza de datos, a su vez, permitirá a los teóricos probar y refinar sus modelos con una precisión sin precedentes. Además, los datos actuales de estos colisionadores ya muestran indicios preliminares de los efectos de los campos electromagnéticos intensos en las colisiones de iones pesados. Este es un avance muy prometedor, ya que se espera que el análisis de conjuntos de datos más amplios produzca señales más definitivas y concluyentes”, afirma Cesar Bernardes.