Colisiones de oxígeno y neón en el CERN arrojan luz sobre la materia del universo temprano

El reto: crear materia colectiva con núcleos pequeños

Durante décadas, los físicos de iones pesados han recurrido sobre todo a colisiones entre núcleos grandes, como los de plomo, para crear y estudiar el QGP. Los sistemas ligeros ofrecen una prueba más exigente: permiten explorar cuándo las interacciones entre partículas comienzan a comportarse como un medio colectivo, parecido a un fluido, y cuándo ese comportamiento desaparece.

La campaña de 2025 comparó colisiones de oxígeno-oxígeno, neón-neón y protón-oxígeno. Al variar el tamaño y la geometría de los sistemas, los investigadores pudieron separar mejor los efectos propios de una colisión de los indicios de un medio denso y fuertemente interactuante.

El resultado central de ALICE fue la observación de un flujo anisotrópico impulsado por la geometría en las colisiones de oxígeno y neón. Las partículas no salieron distribuidas al azar: sus momentos presentaron componentes elípticos y triangulares, conocidos como (v_2) y (v_3). Además, su variación con la centralidad de la colisión coincidió con cálculos hidrodinámicos que convierten la forma inicial de la zona de solapamiento en el patrón direccional de expansión.

La importancia de este resultado está en que un medio caliente y fuertemente interactuante puede conservar información sobre la forma de la región donde nació. En otras palabras, la geometría inicial queda codificada en el movimiento colectivo de las partículas finales. Esto indica que un comportamiento colectivo similar al asociado al QGP puede surgir en sistemas mucho menores que las colisiones de plomo-plomo.

Cuatro experimentos, varias señales que apuntan en la misma dirección

El argumento no depende únicamente del flujo colectivo. Las cuatro grandes colaboraciones del LHC observaron indicios complementarios:

• ALICE encontró evidencia de pérdida de energía de partones en colisiones de oxígeno-oxígeno. Los quarks y gluones de alta energía pueden perder parte de su energía al atravesar un medio caliente y denso antes de fragmentarse en partículas detectables.
• ATLAS midió un desequilibrio entre las energías de pares de chorros de partículas —los llamados jets— en eventos de oxígeno-oxígeno y neón-neón. El efecto aumentó en las colisiones más centrales, donde las partículas recorren una región mayor de materia caliente.
• CMS observó una menor producción de partículas cargadas de alto momento en colisiones de oxígeno-oxígeno y neón-neón frente a referencias de protón-protón. También informó indicios relacionados con la supresión secuencial de distintos estados de bottomonio, una familia de estados ligados de quarks pesados.
• LHCb detectó una supresión mayor de mesones formados por un quark encantado y un quark ligero en el sistema de neón que en el de oxígeno. Además, comunicó indicios preliminares sobre la supresión del bottomonio en colisiones protón-oxígeno y oxígeno-oxígeno.

En conjunto, el flujo colectivo, la pérdida de energía de partones y chorros, la supresión de partículas de alto momento y la supresión de estados ligados de quarks pesados forman un conjunto de señales que se refuerzan mutuamente. Aun así, cada medición puede verse afectada por otros procesos que deben modelarse y comprobarse. La conclusión más rigurosa es que existe evidencia convergente de un comportamiento compatible con el QGP en sistemas ligeros, no una imagen directa de una gota de plasma.

La forma del neón quedó impresa en las partículas

La comparación entre oxígeno y neón convirtió también al LHC en una herramienta indirecta para estudiar la estructura nuclear. El oxígeno-16 es aproximadamente esférico, mientras que el neón-20 presenta una deformación intrínseca y suele describirse como alargado, con forma de «bolo» o de «alfiler de bolos». La orientación de un núcleo de neón deformado modifica la geometría de la región creada al chocar dos núcleos.

ALICE comparó los patrones de flujo de las colisiones neón-neón con los de oxígeno-oxígeno. Los cocientes entre ambos sistemas reducen la influencia de los efectos que comparten y hacen que la comparación sea más sensible a las diferencias en la geometría inicial y a las fluctuaciones de menor escala. Los coeficientes de flujo medidos y su dependencia de la centralidad coincidieron con predicciones hidrodinámicas que incorporaban formas realistas para ambos núcleos.

Así, los restos de la colisión funcionaron como una especie de imagen indirecta de los núcleos antes del impacto. Aunque un núcleo atómico es demasiado pequeño para observarlo directamente, uno aproximadamente esférico como el oxígeno y otro deformado como el neón dejan huellas geométricas distintas en la expansión colectiva.

Una nueva forma de estudiar la estructura nuclear

Tradicionalmente, la deformación nuclear se investiga a bajas energías mediante bandas rotacionales, excitaciones vibratorias, transiciones electromagnéticas y otras propiedades espectroscópicas. El programa de iones ligeros del LHC aporta un método complementario: acelerar los núcleos casi hasta la velocidad de la luz, hacerlos colisionar y deducir la geometría inicial a partir de la forma en que se expande la materia producida.

No se trata de sustituir la espectroscopia de baja energía. Las colisiones ultrarrelativistas permiten estudiar cómo la forma completa del núcleo —y posiblemente sus fluctuaciones a escalas más pequeñas— influye en la dinámica de un sistema extraordinariamente caliente y efímero. También ofrecen un entorno controlado para poner a prueba los modelos hidrodinámicos en sistemas pequeños, donde las decisiones de modelización tienen un peso mayor.

El resultado conecta, por tanto, dos áreas que suelen estudiarse por separado: la estructura de los núcleos atómicos y las propiedades de la materia que existió poco después del Big Bang.

¿Podría el helio-4 marcar el límite inferior?

Los núcleos todavía más ligeros, incluido el helio-4, podrían convertirse en la siguiente prueba del límite de tamaño de estos sistemas. Al comparar sus colisiones con las de oxígeno y neón, los investigadores podrían buscar el punto en el que el flujo colectivo y las señales de pérdida de energía se debilitan o desaparecen a medida que disminuyen el tamaño, la duración y la densidad energética del medio.

Esas mediciones ayudarían a precisar las condiciones mínimas necesarias para producir un comportamiento compatible con el QGP y ofrecerían otra geometría nuclear para probar modelos de estructura nuclear y de materia fuertemente interactuante. Sin embargo, las fuentes disponibles no confirman una campaña con helio-4, un calendario ni una sensibilidad prevista. Por ahora, debe considerarse una posible línea futura de investigación, no un resultado anunciado.