Un equipo internacional de físicos ha logrado recrear en laboratorio las condiciones que existían apenas un milisegundo después del Big Bang, descubriendo que el universo primitivo se comportaba como una sopa extremadamente densa y fluida de partículas elementales. El experimento, llevado a cabo mediante colisiones de iones pesados a energías relativistas, aporta nuevos datos sobre el plasma de quarks y gluones y sobre cómo la materia pasó de un estado casi líquido a formar protones y neutrones estables. Los resultados, difundidos por Live Science, ofrecen una ventana experimental a uno de los momentos más críticos de la historia cósmica y ayudan a afinar los modelos teóricos que describen la evolución temprana del universo.

Un universo sorprendentemente “espeso”

Durante décadas, la imagen popular del universo justo después del Big Bang ha estado asociada a una expansión caótica de partículas moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz. Sin embargo, los experimentos recientes indican que en su primer milisegundo el cosmos no era simplemente un gas ultracaliente, sino un medio denso con propiedades colectivas comparables a las de un fluido casi perfecto.

En ese intervalo temporal, cuando la temperatura superaba los 10¹² kelvin y la densidad de energía rondaba varios GeV por femtómetro cúbico, la materia se encontraba en forma de plasma de quarks y gluones. Este estado implica que los quarks —los constituyentes fundamentales de protones y neutrones— no estaban confinados en hadrones, sino libres en una especie de caldo subatómico interactuando de forma intensa. La viscosidad específica de este plasma, medida en relación con su densidad de entropía, se aproxima al límite inferior teórico propuesto por la física cuántica, lo que sugiere que fluía con una eficiencia extraordinaria.

Para estudiar este escenario extremo, los investigadores han recurrido a aceleradores capaces de reproducir temperaturas y densidades similares a las del universo temprano. En concreto, los experimentos se han llevado a cabo en el Relativistic Heavy Ion Collider, una instalación situada en el Brookhaven National Laboratory. Allí, iones pesados como el oro se aceleran hasta alcanzar energías del orden de 200 GeV por par de nucleones y se hacen colisionar frontalmente, generando durante fracciones de segundo microgotas de plasma de quarks y gluones.

Recreando el primer milisegundo

El objetivo de estos experimentos no es solo alcanzar temperaturas elevadas, sino estudiar la dinámica colectiva del sistema resultante. Cuando dos núcleos de oro colisionan a velocidades relativistas, la energía concentrada en un volumen extremadamente pequeño produce un entorno con temperaturas que superan los cuatro billones de grados Celsius. En esas condiciones, la materia ordinaria deja de existir tal y como la conocemos y emerge el plasma primordial.

Los detectores del colisionador analizan miles de partículas generadas en cada evento. A partir de la distribución angular y el flujo colectivo de esas partículas, los físicos reconstruyen las propiedades macroscópicas del plasma. Se ha observado que el comportamiento del sistema no se ajusta al de un gas ideal, sino al de un fluido fuertemente acoplado con una viscosidad extremadamente baja. Técnicamente, el parámetro η/s —viscosidad sobre densidad de entropía— se aproxima a 0,1, un valor cercano al límite inferior teórico de 1/4π predicho por ciertos modelos de gravedad cuántica.

Este hallazgo es relevante porque modifica la comprensión clásica del universo temprano. En lugar de imaginar un medio disperso, los datos apuntan a una sustancia densa, donde las interacciones entre quarks y gluones eran tan intensas que el conjunto se comportaba colectivamente. En términos hidrodinámicos, la evolución del sistema puede describirse mediante ecuaciones relativistas de Navier-Stokes adaptadas a condiciones de energía extrema.

En el artículo original difundido por Live Science se detallan los principales resultados y declaraciones de los investigadores.

El producto clave: el Relativistic Heavy Ion Collider

Más allá del titular llamativo, el protagonista real de esta historia es el propio Relativistic Heavy Ion Collider, una infraestructura científica que lleva más de dos décadas operativa y que sigue proporcionando datos esenciales para la física de partículas. El RHIC fue diseñado para estudiar la cromodinámica cuántica en condiciones extremas, es decir, la teoría que describe cómo interactúan quarks y gluones a través de la fuerza fuerte.

El colisionador cuenta con un anillo de aproximadamente 3,8 kilómetros de circunferencia y utiliza campos magnéticos superconductores para guiar y acelerar los haces de iones. En cada ciclo experimental, se pueden registrar millones de colisiones, cada una generando un volumen microscópico de plasma que existe durante unos 10⁻²³ segundos. Aunque ese tiempo es increíblemente breve, resulta suficiente para que los detectores capten patrones estadísticos robustos.

Una de las claves técnicas del RHIC es su capacidad para variar tanto la energía de colisión como el tipo de partículas aceleradas. Esto permite trazar un “mapa de fases” de la materia nuclear, identificando el punto crítico donde la transición entre materia hadrónica y plasma de quarks y gluones cambia de naturaleza. Se trata de un objetivo central en la física contemporánea, ya que ayuda a entender cómo se produjo la transición en el universo real cuando la temperatura descendió por debajo de aproximadamente 170 MeV.

En este contexto, el RHIC no solo reproduce condiciones del cosmos primitivo, sino que actúa como un laboratorio para validar modelos teóricos complejos. Sus resultados complementan los obtenidos en el CERN, donde el Gran Colisionador de Hadrones también realiza experimentos con iones pesados a energías aún mayores.

Implicaciones para la cosmología

La recreación experimental del plasma primordial no es un simple ejercicio académico. Permite afinar los modelos que describen la evolución del universo desde sus primeras fracciones de segundo hasta la formación de las primeras partículas estables. En el primer milisegundo tras el Big Bang, el cosmos se expandía y enfriaba rápidamente, pasando de un estado dominado por radiación a uno en el que las partículas comenzaron a adquirir masa efectiva y a confinarse en hadrones.

Los modelos cosmológicos actuales, basados en la relatividad general y la física de partículas, necesitan parámetros precisos sobre cómo se comporta la materia en esas condiciones. La ecuación de estado del plasma de quarks y gluones influye en la velocidad de expansión y en la distribución de energía. Si el medio era más viscoso o menos denso de lo estimado, las predicciones sobre la formación de estructuras tempranas podrían variar.

Los resultados experimentales respaldan la idea de que el plasma se comportaba como un fluido casi perfecto. Esto implica que las fluctuaciones iniciales de densidad pudieron propagarse de manera coherente antes de que la materia se fragmentara en protones y neutrones. A largo plazo, esas pequeñas irregularidades serían el germen de galaxias y cúmulos.

Para un análisis más técnico del comportamiento del plasma de quarks y gluones, puede consultarse la documentación del Brookhaven National Laboratory o los informes del CERN sobre colisiones de iones pesados.

Un vistazo a la materia fundamental

Desde un punto de vista estrictamente físico, estos experimentos permiten medir parámetros fundamentales de la interacción fuerte. La cromodinámica cuántica predice que la fuerza entre quarks disminuye a energías extremadamente altas, fenómeno conocido como libertad asintótica. Sin embargo, cuando la energía baja, los quarks quedan confinados en hadrones. El plasma de quarks y gluones representa el régimen donde el confinamiento desaparece temporalmente.

La caracterización experimental del plasma incluye la medición del flujo elíptico de partículas, la supresión de chorros hadrónicos y la producción de estados ligados pesados como el J/ψ. Cada uno de estos observables proporciona información cuantitativa sobre la densidad de energía y el grado de acoplamiento del sistema. En muchos casos, los datos experimentales se comparan con simulaciones numéricas basadas en redes de QCD en el retículo, que requieren enormes recursos computacionales.

El hecho de que el universo temprano se comportara como una sopa densa y no como un gas diluido obliga a matizar algunas intuiciones clásicas. La materia, incluso en sus formas más elementales, puede exhibir propiedades colectivas complejas que emergen de interacciones microscópicas intensas.

Reflexiones finales

Recrear el primer milisegundo del universo en un laboratorio terrestre es una de las empresas científicas más ambiciosas de nuestro tiempo. No se trata de reproducir el Big Bang en su totalidad, sino de aislar y estudiar uno de sus estados físicos clave. Los datos obtenidos muestran que la materia primordial era más cohesiva y fluida de lo que muchos modelos simplificados sugerían.

Este tipo de investigación demuestra hasta qué punto la física experimental y la teoría cosmológica están entrelazadas. Un acelerador de partículas en Nueva York puede ofrecer pistas sobre eventos ocurridos hace 13.800 millones de años. Cada nueva medición ajusta ligeramente nuestra comprensión del cosmos y plantea nuevas preguntas sobre las transiciones de fase en condiciones extremas.

En definitiva, el universo temprano no fue solo una explosión caótica de energía, sino un entorno con reglas físicas precisas, medibles y sorprendentemente sofisticadas. La imagen de una sopa cósmica densa y casi perfecta encaja mejor con los datos actuales y abre la puerta a futuras investigaciones aún más detalladas.