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Las partículas X probablemente existieron en las más pequeñas fracciones de segundo después del Big Bang. Físicos del MIT esperan construir la imagen más precisa hasta la fecha de los orígenes del universo.

En el caos previo al enfriamiento durante el Big Bang, una fracción de estos quarks y gluones colisionó al azar para formar partículas “X” de corta duración.

Físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, situado cerca de Ginebra en el CERN, han detectado por primera vez una misteriosa partícula que se cree que existió en las primeras millonésimas de segundo después del Big Bang.

Denominadas partículas “X”, por su estructura desconocida, fueron halladas en un medio llamado plasma de quark-gluones, generado en el LHC mediante la colisión de iones de plomo. Allí, entre los trillones de partículas producidas por estas colisiones, los físicos consiguieron extraer 100 de las exóticas motas.

Al estudiar las partículas X primordiales con más detalle, los científicos, que publicaron sus resultados en la revista Physical Review Letters, esperan construir la imagen más precisa hasta la fecha de los orígenes del universo. 

Sondear la estructura interna de la partícula X

“Esto es solo el principio de la historia”, afirma el físico Yen-Jie Lee, del Laboratorio de Ciencias Nucleares del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y miembro de la colaboración internacional CMS, con sede en el CERN (Suiza), la Organización Europea para la Investigación Nuclear.

“Hemos demostrado que podemos encontrar una señal. En los próximos años queremos utilizar el plasma de quark-gluones para sondear la estructura interna de la partícula X, lo que podría cambiar nuestra visión de qué tipo de material debería producir el universo”, agregó.

Quarks y gluones: partículas elementales

Apenas unos instantes después del Big Bang, el universo primitivo era un plasma sobrecalentado a billones de grados, compuesto por partículas elementales llamadas quarks y gluones. Subsecuentemente estas partículas se unieron brevemente en innumerables combinaciones antes de enfriarse y asentarse en configuraciones más estables, formando los neutrones de los que se compone hoy la materia normal.

En ese brevísimo lapso, las partículas del plasma de quark-gluones colisionaron, se pegaron y volvieron a separarse en diferentes configuraciones. Una de esas configuraciones es la partícula X, la cual no sabemos cómo se formó.

Un enorme cartel que representa el detector CMS en el edificio 40 del CERN en Meyrin, cerca de Ginebra.

Recrear la sopa primordial caótica del Big Bang

Para recrear las condiciones primitivas del universo, los investigadores del LHC dispararon átomos de plomo cargados positivamente entre sí a gran velocidad, haciéndolos chocar para producir miles de partículas más en una explosión momentánea de plasma que se asemeja a la sopa primordial caótica del Big Bang. 

A pesar de la complejidad de la tarea esa fue la parte fácil. Lo difícil, gracias en parte a que las partículas X tienen una vida muy corta, fue examinar los datos de 13.000 millones de colisiones de iones pesados para encontrar las partículas X.

“En teoría, hay tantos quarks y gluones en el plasma que la producción de partículas X debería ser mayor”, dijo Lee. “Pero la gente pensaba que sería demasiado difícil buscarlas, porque hay muchas otras partículas producidas en esta sopa de quarks”.

Algoritmo ayuda a extraer unas 100 partículas X

Así, para examinar los millones de colisiones, el equipo desarrolló un algoritmo. En medio de esta sopa de partículas ultradensa y de alta energía, los investigadores, según detalla el comunicado del MIT, pudieron extraer unas 100 partículas X, de un tipo conocido como X (3872), llamado así por la masa estimada de la partícula.

“Es casi impensable que podamos identificar estas 100 partículas a partir de este enorme conjunto de datos”, dijo Lee, que, junto al coautor Jing Wang, físico del MIT, realizó múltiples comprobaciones para verificar su observación. “Cada noche me preguntaba: ¿es esto realmente una señal o no?”, aseguró Wang. “Y al final, los datos decían que sí”.

Descifrar la estructura de la partícula X

Por el momento, los datos son insuficientes para saber más sobre la estructura de la partícula X. Sin embargo, los investigadores planean reunir muchos más datos en los próximos uno o dos años, que deberían ayudar a dilucidar la estructura de la partícula X.

Mientras que los protones y los neutrones están formados por tres quarks cada uno, los físicos creen que las partículas X pueden estar formadas por cuatro, aunque no saben cómo están unidos. Los científicos creen que la nueva partícula podría estar formada por cuatro quarks unidos con la misma fuerza, lo que la convertiría en una partícula exótica llamada tetraquark, o por dos pares de quarks –llamados mesones– poco unidos entre sí.

“Actualmente, nuestros datos son consistentes con ambas [estructuras] porque aún no tenemos suficientes estadísticas”, dijo Lee. “En los próximos años, tomaremos muchos más datos para poder separar estos dos escenarios. Eso ampliará nuestra visión de los tipos de partículas que se produjeron abundantemente en el universo primitivo”.

DW

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