En los primeros microsegundos despues del Big Bang, el universo no estaba hecho de atomos ni siquiera de protones o neutrones. Era una sopa abrasadora de quarks y gluones, los componentes fundamentales de la materia, tan caliente y densa que las particulas no podian existir como individuos. Esa sopa, llamada plasma de quarks y gluones (QGP), desaparecio en una millonesima de segundo a medida que el universo se expandia y enfriaba. Para estudiarlo hoy, los fisicos deben recrearlo: colisionando nucleos pesados de plomo a casi la velocidad de la luz.
Ahora, tras 20 anos de busqueda, el experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones del CERN ha confirmado un fenomeno predicho en 2004, una “estela de difusion” que queda cuando una particula energetica atraviesa el plasma de quarks y gluones. La observacion, aceptada para su publicacion en Physical Review Letters, proporciona una nueva ventana a las propiedades de la sopa primordial que llenaba el universo temprano.
Que es la estela
Piense en el QGP como un fluido tan caliente y denso que incluso los quarks y gluones, normalmente confinados dentro de protones y neutrones, deambulan libremente. Cuando un quark o gluon de alta energia (un “parton”) se produce dentro de este plasma, atraviesa el medio, depositando energia y momento a medida que viaja. Esto crea una perturbacion analoga a la estela detras de un barco: una onda de compresion delante de la particula y una region de material empobrecido detras de ella. Ese empobrecimiento, un deficit medible de particulas de baja energia en la direccion opuesta al chorro, es la estela de difusion.
“La estela de difusion habia sido predicha por la teoria hace mas de 20 anos, pero permanecio escurridiza en los datos experimentales”, dijo la Prof. Olga Evdokimov de la Universidad de Illinois Chicago, quien lidero el analisis junto con el posdoc Raghunath Pradhan.
Una cuestion de estadistica
La dificultad para encontrar la estela no radicaba en si existia – la teoria decia que debia existir – sino en si la senal podia extraerse de un fondo abrumador de ruido. Cada colision plomo-plomo en el LHC produce miles de particulas. Entre ellas, la senal de la estela es minuscula: un sutil deficit de particulas cargadas con momento transverso entre 1 y 2 GeV, aproximadamente una milesima parte de la energia de los propios chorros.
Intentos previos del experimento ATLAS en el LHC, utilizando eventos foton-chorro, no encontraron nada, solo limites superiores sobre lo que podria existir. El equipo de CMS tuvo exito utilizando un enfoque diferente: eventos de doble chorro, donde dos chorros espalda con espalda se producen a partir de una unica dispersion dura. Los eventos de doble chorro ocurren con mucha mas frecuencia que los eventos foton-chorro, lo que brinda la potencia estadistica necesaria para extraer la senal.
El equipo comparo las correlaciones doble chorro-hadron en colisiones plomo-plomo (PbPb) y proton-proton (pp), ambas registradas a una energia del centro de masa de 5.02 TeV. Al seleccionar eventos donde los dos chorros estaban ampliamente separados a lo largo del eje longitudinal del detector, y restando los efectos de eventos donde los chorros estaban cercanos, la senal de la estela de difusion emergio. Alcanzo una significancia estadistica superior a 5 desviaciones estandar, el estandar de oro para un descubrimiento en fisica de particulas.
Una ventana al universo temprano
El QGP existe solo durante aproximadamente 10^-23 segundos por colision, pero estudiar sus propiedades les dice a los fisicos como se comportaba la materia en los primeros momentos despues del Big Bang. “Observar y cuantificar la estela de difusion del QGP abre la puerta a una nueva caracterizacion de precision de las propiedades y dinamicas del plasma de quarks y gluones”, dijo Pradhan, “y promete nuevos conocimientos sobre la evolucion del universo temprano.”
La senal de la estela fue mas fuerte en las colisiones mas centrales, donde el QGP es mas grande y caliente, y desaparecio en colisiones perifericas donde se produce menos plasma. La senal fue mas clara para particulas cargadas en el rango de 1-2 GeV, con una senal mas pequena pero aun significativa observada entre 2 y 4 GeV.
Advertencias y tensiones
Los modelos teoricos existentes que incluyen efectos de estela, el modelo HYBRID y el modelo CoLBT-hydro, ambos predicen el empobrecimiento observado, pero sobreestiman su magnitud. Esto significa que la comprension teorica de como el QGP responde a chorros energeticos aun es incompleta. Ningun modelo coincide perfectamente con los datos, dejando espacio para refinamiento.
Una busqueda anterior de ATLAS para el mismo fenomeno utilizando eventos foton-chorro (Phys. Rev. C 111, 044909, 2025) solo encontro limites superiores. El exito del equipo de CMS con el metodo de doble chorro sugiere que el enfoque foton-chorro simplemente no era lo suficientemente sensible; los eventos de doble chorro proporcionan significativamente mas potencia estadistica.
Que sigue
Con el fin del Run 3 del LHC el 29 de junio de 2026, el detector CMS entra ahora en su Parada Larga 3, durante la cual el LHC sera mejorado para el Run 4, que se espera comience en 2030. Los nuevos datos de colisiones de mayor luminosidad permitiran mediciones aun mas precisas de la estela y sus propiedades. El trabajo futuro tambien puede sondear la estela a diferentes energias y con diferentes sistemas de colision, revelando potencialmente nuevos aspectos del comportamiento del QGP.
El articulo, titulado “Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions”, es autorizado por la Colaboracion CMS (A. Hayrapetyan et al.) y aceptado para su publicacion en Physical Review Letters. La prepublicacion esta disponible en arXiv: 2602.19431 (nucl-ex).
Fuentes
1. Colaboracion CMS, “Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions,” aceptado por Physical Review Letters, arXiv:2602.19431 (2026). DOI: 10.1103/g49y-8cjl
2. Articulo de noticias del experimento CMS, “In the wake of partons,” 8 de julio de 2026. cms.cern/news/wake-partons
3. R. Lea, “Earth’s largest particle accelerator opens new window into the early universe,” Space.com, 17 de julio de 2026.
Traducido por Alessandra