Inmediatamente después de una fusión de estrellas de neutrones binarios, se puede formar un QGP. Imagen de Lukas R. Weih & L. Rezzolla (GUF)/CERN

Identifican firma única. Confirman el plasma de quarks-gluones en el universo

En las primeras fracciones de segundo de la existencia de nuestro universo, la densidad de energía era tan increíblemente alta que no había protones y neutrones, sólo una «sopa de quarks» caliente conocida como plasma de quarks y gluones (QGP, del inglés Quark–gluon plasma).

Los físicos han recreado con éxito este estado único de la materia en laboratorios de alta energía, pero esas condiciones son extremadamente raras en el cosmos actual.

Según un nuevo artículo en la revista Physical Review Letters, los físicos alemanes han realizado simulaciones por ordenador que indican que un QGP podría formarse inmediatamente después de una fusión de estrellas de neutrones binarios, y que debería producir una firma reveladora y detectable en las ondas gravitatorias que emanan de ese evento.

«En comparación con simulaciones anteriores, hemos descubierto una nueva firma en las ondas gravitatorias que es significativamente más clara de detectar», dijo el coautor Luciano Rezzolla de la Universidad de Goethe en Frankfurt, Alemania. «Si esta firma ocurre en las ondas gravitacionales que recibiremos de futuras fusiones de estrellas de neutrones, tendríamos una clara evidencia de la creación del plasma quark-gluón en el universo actual».

Una sopa caliente y densa

Los quarks, los componentes fundamentales de las partículas subatómicas, están unidos entre sí por gluones portadores de fuerza para formar protones y neutrones.

Pero bajo las condiciones extremas de alta energía del universo primitivo en sus primeros microsegundos de existencia, eso no podía suceder.

En su lugar, los quarks y los gluones se mezclaron libremente en una densa sopa, hasta que las cosas se enfriaron lo suficiente como para que los protones se condensaran fuera del QGP.

Antes de que el primer segundo se acabara, el Universo había pasado por todo su período inflacionario, sembrando las semillas de las estructuras a gran escala que vemos hoy en día.

Para crear QGP en el laboratorio -en el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC) del Brookhaven National Laboratory y en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN- los físicos deben alcanzar temperaturas cientos de miles de veces más calientes que las del sol.

Lo hacen a través de colisiones de iones pesados (usando oro en el RHIC, plomo en el LHC) para generar las enormes y altas energías necesarias para hacer estallar el nucleón.

Los quarks y gluones que salen de una colisión de protones tienden a tener nada más que espacio vacío a su alrededor.

En una fuerte colisión de iones, el gran número de nucleones que se rompen a la vez significa que, en lugar de volar hacia el espacio vacío, un quark o gluón dado tendrá la oportunidad de interactuar con los que salen de los nucleones cercanos.

Como resultado, por un breve instante, las colisiones no se parecen mucho a una explosión; en cambio, se parecen más a los límites entre nucleones que se derriten, dejando atrás un mar de quarks y gluones que están interactuando.

Los físicos se sorprendieron al descubrir en 2005 que el QGP no es realmente un plasma gaseoso en términos de su comportamiento.

Es más parecido a un superfluido, ya que prácticamente no tiene viscosidad (resistencia a la fricción) – es, de hecho, el líquido más perfecto que se ha observado hasta ahora.

Experimentos posteriores revelaron que las colisiones de partículas dentro del QGP se arremolinan más rápido (una medida de la vorticidad) que cualquier otro fluido conocido.

¿Una firma reveladora?

¿Dónde podríamos encontrar una QGP en el universo hoy en día?

Rezzolla y sus colegas del GUF pensaron que una fusión de estrellas de neutrones binarios podría ser un buen candidato, y formularon la hipótesis de que podríamos encontrar pruebas de un QGP en las ondas gravitatorias producidas por dicha fusión, gracias al continuo éxito del LIGO.

El LIGO detecta las ondas gravitatorias mediante interferometría láser, usando láseres de alta potencia para medir los pequeños cambios en la distancia entre dos objetos situados a kilómetros de distancia. (Un tercer detector se puso en marcha en VIRGO en 2016).

Cada instrumento es tan sensible que también capta pequeñas vibraciones ambientales, como el ruido de un tren de carga o vibraciones térmicas naturales en los propios detectores.

El 14 de septiembre de 2015, a las 5:51 AM EST, ambos detectores captaron por primera vez señales a milisegundos de distancia. Las formas de onda de esas señales sirven como una huella digital de audio, en este caso, la evidencia de dos agujeros negros que giran en espiral hacia el interior del otro y se fusionan en un evento de colisión masiva, enviando poderosas ondas de choque a través del espacio tiempo.

Esa primera detección enganchó a la colaboración el Premio Nobel de Física de 2017.

Desde entonces se han producido varias detecciones adicionales de ondas gravitatorias, entre las que destaca la fusión de estrellas de neutrones binarios de 2017, apoyada por una explosión simultánea de rayos gamma y señales en el resto del espectro electromagnético.

Y el año pasado LIGO/VIRGO observó cinco eventos de ondas gravitacionales en un solo mes.

Tres fueron de la fusión de agujeros negros, uno fue la segunda fusión de estrellas de neutrones, y otro puede haber sido el primer caso de una fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros.

Así que la probabilidad de detectar más fusiones binarias de estrellas de neutrones en el futuro es fuerte.

Pero gran parte de la atención en esas primeras detecciones se ha centrado en el punto de fusión; los registros de ondas gravitacionales no se hicieron más allá de eso.

Rezzolla y otros utilizaron simulaciones por ordenador para modelar dos fusiones de estrellas de neutrones, centrándose en las consecuencias inmediatas de esa fusión.

Esas simulaciones mostraron que se produciría una transición de fase, en la que el entorno extremo haría que los hadrones se fundieran y crearan brevemente un QGP de quarks y gluones que se mezclaran libremente.

Esa transición debería dejar una firma clara y distintiva en las señales de ondas gravitacionales que emanan de ese evento.

Ahora sólo tenemos que esperar a que LIGO/VIRGO detecte otra fusión de estrellas de neutrones, esta vez grabando un poco más para, con suerte, capturar una señal de esa reveladora transición de fase.

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