La temperatura del Big Bang en el laboratorio

Mientras que el mundo sigue esperando que el Large Hadron Collider (LHC) comience a escupir datos, los físicos de otros laboratorios, con medios mucho más modestos, siguen haciendo descubrimientos importantes. En el Laboratorio Nacional Brookhaven acaban de “calentar” la materia hasta los 4 billones de grados centígrados, algo así como 250 mil veces más que la temperatura del núcleo del Sol. A esa temperatura, la materia se convierte en una especie de “sopa”, idéntica a la que existía instantes después del nacimiento del universo. Pero, ¿para que sirve todo esto?

Muchas veces pueden obtener resultados asombrosos con medios relativamente limitados. Sabemos que un consorcio integrado por un buen puñado de países ha gastado bastante mas de 6.000 millones de dólares para construir al Large Hadron Collider (LHC), destinado a convertirse en el padre de todos los aceleradores de partículas, pero que por uno u otro motivo aún no se lo ha podido utilizar para recuperar siquiera una parte de esa inversión. Por otra parte, equipos de científicos más pequeños, con recursos más modestos, han hecho avances que los colocan bastante cerca de descubrir el -a estas alturas místico- Boson de Higgs. La física de las altas energías requiere de máquinas increíbles para realizar sus descubrimientos, pero también de mucho ingenio e imaginación a la hora de diseñar sus experimentos. Eso es lo que han demostrado los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía estadounidense, en Nueva York.

Utilizando un acelerador de átomos llamado Acelerador Relativista de Iones Pesados (RHIC por sus siglas en inglés), un dispositivo mucho más pequeño (y barato) que el LHC, hicieron chocar entre si iones de oro. Viajando a lo largo de un circuito cerrado de casi 3,9 kilómetros de largo, los núcleos de oro alcanzaron una velocidad cercana a la de la luz, antes de chocar con otro haz que gira en sentido opuesto. Con esos impactos lograron producir explosiones supercalientes con una duración de unos pocos milisegundos. La temperatura que alcanzaron esos iones al golpear unos sobre otros a velocidades cercanas a la de la luz fue de unos cuatro billones de grados centígrados, calor suficiente para convertir la materia en la especie de "sopa" que existió microsegundos después del nacimiento del universo.

Por supuesto, se trata de la temperatura más alta jamás conseguida en un laboratorio. A pesar de la breve duración del experimento, los físicos obtuvieron datos fundamentales sobre el comportamiento de la materia en esas condiciones, material que los mantendrá ocupados durante años. Para tener una idea de lo que significan “4 billones de grados” basta con recordar que es una temperatura 250 mil veces mayor que la que se puede encontrar en el centro de una estrella como el Sol. Es muy posible que en los últimos 15 mil millones de años -tiempo transcurrido desde el Big Bang- no haya habido una temperatura así de alta (al menos creada de forma natural) en todo el universo.

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Steven Vigdor, uno de los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, durante una conferencia de prensa realizada en la Sociedad de Física de Estados Unidos, en Washington, declaró que “esa temperatura es lo suficientemente alta como para fundir los protones y neutrones”. En realidad, “fundir” quizás no sea el término exacto, pero ilustra claramente qué ocurre con esas partículas cuando se las somete a temperaturas tan altas. En efecto, las partículas que forman átomos están hechas a su vez de componentes más pequeños llamados quarks y gluones. Como resultados de estos impactos, los electrones y protones se “desarman” (o “funden”) en sus partículas elementales. Para los físicos teóricos, este tipo de experimento ayudará a encontrar las pequeñas irregularidades que pueden explicar por qué la materia surgió en el universo. Desde el punto de vista práctico, al igual que otros tantos experimentos físicos, la información obtenida en Brookhaven puede tener aplicaciones en el campo de la "spintrónica", la ciencia que intenta construir aparatos informáticos más pequeños, rápidos y potentes basando su funcionamiento en el spin de los electrones en lugar de su carga.

"El RHIC fue diseñado para crear materia a temperaturas halladas por primera vez en el universo primitivo", explica Vigdor. "¿Qué tan caliente es eso? Bien, la temperatura estimada para derretir protones y neutrones es 2 billones de grados", la mitad de la conseguida en el laboratorio. Vigdor da más ejemplos: “El centro del Sol se encuentra a unos 50 millones de grados centígrados, el acero se derrite a 1.800 grados y la temperatura media del universo está actualmente en 0,7 grados centígrados sobre el cero absoluto.” Las condiciones obtenidas en el RHIC recrean del momento justo antes de que la sopa de quarks y gluones se condensara en hadrones (como los neutrones y protones), las partículas de la materia que componen actualmente gran parte del universo. El LHC, cuando esté en funcionamiento, puede hacer chocar entre sí átomos de plomo, más pesados que los de oro, para reproducir las condiciones existentes incluso al nacimiento del universo. Pero para eso deberemos esperar un poco más.

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The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, http://www.bnl.gov/rhic  ) is a 2.4-mile-circumference particle accelerator/collider that has been operating at Brookhaven Lab since 2000, delivering collisions of heavy ions, protons, and other particles to an international team of physicists investigating the basic structure and fundamental forces of matter. In 2005, RHIC physicists announced that the matter created in RHICs most energetic collisions behaves like a nearly perfect liquid in that it has extraordinarily low viscosity, or resistance to flow. Since then, the scientists have been taking a closer look at this remarkable form of matter, which last existed some 13 billion years ago, a mere fraction of a second after the Big Bang. Scientists have revelaed new findings, including the first measurement of temperature very early in the collision events, and their implications for the nature of this early-universe matter.

Físicos del Laboratorio Nacional de Energía de Brookhaven Nueva York han conseguido crear una especie de «sopa» de materia 250.000 veces más caliente que el centro de nuestro Sol y que reúne condiciones similares a las que se produjeron justo después del Big Bang, la gran explosión que dio origen al Universo. En 2005, los científicos sospechaban que habían alcanzado este estado de la materia, pero es la primera vez que pueden confirmar estas temperaturas infernales.

«Es la materia más caliente nunca creada en laboratorio», ha asegurado Steven Vigdor, director del laboratorio asociado de física nuclear y de partículas en el Departamento de Energía de EE.UU. La temperatura es tan caliente que puede «derretir los protones y los neutrones». El experimento se logró haciendo chocar el núcleo de partículas de oro a velocidades super rápidas, de forma que se derrían los protones. Dos chorros de núcleos de oro se aceleraron en direcciones opuestas a lo largo de la pista circular de un acelerador de partículas llamado Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un hermano pequeño del europeo LHC.
A lo largo de los 3,9 kilómetros del circuito, los núcleos de oro alcanzaron una velocidad cercana a la de la luz. Cuando dos de esas partículas chocan, sus colisiones producen tanta cantidad de energía que la materia se calienta a 4 billones de grados Celsius. Estas condiciones son suficientes para para derretir los protones y neutrones hasta que sólo quedan partículas elementales llamadas quarks y gluones, según ha explicado el investigador Steven Vigdor, en una conferencia impartida en la Sociedad Americana de Física, en Washington. Los científicos creen que esta sopa de quarks y gluones llenó el Universo unos microsegundos después del Big Bang, hace casi 14.000 millones de años. Después, la materia se enfrió y condensó, formando los protones y neutrones que la forman hoy día.
Unos milisegundosEsta sopa de partículas fundamentales duró tan sólo unos milisegundos. Ni un suspiro. Pero el tiempo fue suficiente para que los físicos pudieron medir sus propiedades y temperatura. De forma sorprendiente, descubrieron que este estado primitivo de la materia se comporta como un líquido, aunque los expertos esperaban encontrarse con un gas.
Los físicos tendrán la oportunidad de estudiar un estado aún más caliente de la materia cuando el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, que se pondrá en funcionamiento de nuevo a finales de mes, consiga funcionar a gran velocidad. La «máquina de Dios» producirá temperaturas dos o tres veces más calientes que las conseguidas por el Relativistic Heavy. Los físicos quieren entender por qué la materia se formó en sus primeros estadio. También esperan encontrar aplicaciones prácticas, como los spintronics, que tienen el objetivo de hacer más rápidos, pequeños y poderosos los dispositivos electrónicos.

Overview of the experimental activity going on at CERN (SPS and LHC) and at RHIC in view of the understanding of the properties of QCD matter (quark gluon plasma) at high temperatures and densities, through the study of heavy-ion collisions at very high energies.http://cdsweb.cern.ch/

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