Los empujes raros de los quarks pesados podrían revelar el plasma primordial

El plasma de quarks y gluones dura tan poco que no puede observarse como se mira un líquido en un recipiente. Se forma en los choques de iones pesados de los aceleradores, ocupa una región comparable al tamaño de un núcleo atómico y desaparece casi enseguida. Para averiguar cómo es por dentro, los físicos buscan huellas en las partículas que salen de él. Un nuevo cálculo sugiere que los cambios de rumbo más raros de los quarks pesados podrían ser especialmente informativos.

Esta forma extrema de materia habría llenado el universo durante sus primeros microsegundos. En ella, los componentes de protones y neutrones no permanecen ligados en las partículas conocidas, sino que forman un medio muy caliente y denso. En instalaciones como el Relativistic Heavy Ion Collider, en Estados Unidos, las colisiones de núcleos de oro recrean pequeñas gotas de ese estado durante una fracción ínfima de segundo.

Una manera de estudiar esas gotas es seguir a un quark pesado que las atraviesa. Su movimiento cambia por los tirones de las partículas del medio. La idea se parece a usar una boya para aprender sobre una corriente que no se puede ver directamente: el desvío de la boya no muestra cada remolino, pero conserva información sobre las fuerzas que encontró en el camino.

Durante más de un siglo, el movimiento browniano ofreció una guía para describir ese tipo de interacción. El modelo, inspirado en el temblor aparentemente errático de granos de polen en agua, espera muchos empujes pequeños y pocos muy grandes. Si se registran muchísimos cambios de velocidad, la forma resultante suele parecerse a una campana: los cambios moderados son comunes y los extremos, cada vez más improbables.

Jean Du Plessis y Bruno Scheihing-Hitschfeld calcularon qué ocurriría cuando un quark pesado se mueve a velocidades cercanas a la de la luz a través de un gas de quarks y gluones débilmente interactuantes. En vez de limitarse al comportamiento promedio, estimaron la distribución completa de los cambios de momento: cuánto y en qué dirección puede variar el movimiento de la partícula por las interacciones con el medio.

El resultado coincide aproximadamente con la campana para los empujes pequeños, pero se aparta de ella en los grandes. Según el cálculo, los cambios extremos son más frecuentes de lo que anticipa el modelo browniano habitual y no son simétricos: un desvío grande que frena al quark resulta más probable que uno equivalente que lo acelera respecto de la resistencia del fluido. Esa asimetría es la señal que podría guardar información adicional sobre la estructura microscópica del plasma.

La propuesta no consiste en haber medido todavía esa huella en un detector. Es una predicción teórica que plantea qué buscar en los datos de colisiones de iones pesados. Si las mediciones futuras pueden distinguir esos eventos poco frecuentes, los quarks pesados funcionarían como sondas más sensibles de las propiedades del medio que atraviesan. Los autores también hallaron una estructura parecida en un cálculo anterior para un plasma fuertemente acoplado, pese a que los detalles microscópicos de ambos casos son diferentes.

Esa coincidencia no demuestra que todos los plasmas de quarks y gluones respondan de la misma manera ni resuelve cómo era exactamente la materia del universo temprano. El nuevo trabajo parte de un escenario simplificado de interacciones débiles para poder hacer el cálculo. El plasma producido en los aceleradores puede tener un comportamiento más complejo, y la utilidad de la señal dependerá de compararla con observaciones reales y con otros modelos.

El interés del estudio está justamente en desplazar la atención desde el desvío promedio hacia los sucesos infrecuentes. En un medio que existe apenas por instantes, cada patrón estadístico accesible puede convertirse en una ventana indirecta. Saber si los empujes más grandes siguen o no las reglas esperadas para una campana ayudaría a precisar qué tan parecido es ese fluido subatómico a un gas, a un líquido o a algo que no encaja del todo en esas categorías cotidianas.