Las colisiones en el LHC desvelan la geometría oculta del oxígeno y el neón
El gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN ha convertido los violentos choques atómicos en una lupa capaz de hacer visible lo invisible. El rastro de miles de partículas muestra que el núcleo de neón es más alargado y menos esférico que el de oxígeno.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Un técnico trabaja en el túnel del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cerca de Ginebra, donde núcleos de oxígeno y neón fueron acelerados y obligados a que colisionaran para revelar su geometría interna. Cortesía: Maximilien Brice/CERN.
Las colisiones de iones ligeros registradas por el experimento CMS permiten rastrear cómo la estructura interna del oxígeno y el neón condiciona el movimiento colectivo de miles de partículas. Los resultados apuntan a que el neón-20 posee una geometría intrínseca más deformada y abren una nueva vía para estudiar los núcleos atómicos.
Recordemos que un núcleo atómico mide alrededor de una cienbillonésima parte de un metro. Es demasiado pequeño para observarlo mediante un microscopio convencional y, además, su estructura está gobernada por las desconcertantes reglas de la mecánica cuántica.
Para averiguar qué aspecto tiene, los físicos recurren a una estrategia aparentemente brutal: acelerar dos núcleos hasta velocidades próximas a la de la luz, hacerlos chocar y reconstruir su geometría a partir de la nube de partículas que emerge del impacto.
El gran colisionador de hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, que comúnmente es conocida por la sigla CERN y que se encuentra cerca de Ginebra, en la frontera entre Suiza y Francia, acaba de llevar esta técnica a un nuevo nivel.
Qué han descubierto los físicos en el LHC
La colaboración internacional CMS —uno de los dos grandes detectores del LHC— ha estudiado colisiones entre núcleos de oxígeno-16 y entre núcleos de neón-20 para comprobar cómo sus diferentes estructuras internas quedan impresas en el movimiento colectivo de las partículas producidas.
Los resultados del experimento, publicados en la revista Physical Review Letters, aportan indicios de que el neón presenta una forma intrínseca más deformada que el oxígeno.
El hallazgo no significa que los investigadores hayan obtenido una fotografía directa de ambos núcleos. Lo que han medido es una especie de eco geométrico.
Recreación artística de una colisión de iones en el LHC: las trayectorias de las partículas permiten reconstruir la geometría compacta del oxígeno-16 y la estructura más alargada del neón-20. Crédito: AI-DALL-E / RexMolón Producciones
Cómo una colisión puede revelar la forma de un núcleo
En efecto, cuando dos iones chocan, la distribución inicial de sus protones y neutrones determina la forma de la diminuta región de materia caliente creada en el impacto.
Esa geometría influye después en la dirección hacia la que escapan las partículas. Analizando su distribución angular, los físicos pueden retroceder hasta la configuración inicial del choque y, con ayuda de modelos teóricos, obtener información sobre la estructura de los núcleos originales.
➡️ «Las colisiones simétricas de iones ligeros ofrecen un mejor control de la geometría inicial», explican los autores del estudio, que está coordinado por el físico teórico Aram Hayrapetyan. Esta ventaja las convierte en un laboratorio especialmente limpio para investigar la conexión entre la forma de un núcleo y el comportamiento colectivo de la materia que aparece tras el impacto.
Los datos fueron recogidos por CMS en julio de 2025. El LHC aceleró núcleos de oxígeno y de neón hasta alcanzar una energía de 5,36 teraelectronvoltios por pareja de nucleones, es decir, por cada pareja formada por un protón o neutrón de cada ion.
A esas energías, los núcleos no rebotan como dos bolas de billar. Se atraviesan y liberan durante una fracción minúscula de segundo sus componentes fundamentales: cuarks y gluones.
Qué es el plasma de cuarks y gluones
En las colisiones de grandes núcleos, como los de plomo, esa materia puede formar un plasma de cuarks y gluones, un estado extremadamente caliente y denso que habría llenado el universo durante sus primeros microsegundos.
Uno de sus rasgos más sorprendentes es que se comporta como un líquido casi perfecto, con una viscosidad superbaja.
La gran cuestión es si en sistemas mucho más pequeños, como los formados por el oxígeno o el neón, puede aparecer también una diminuta gota de materia con propiedades colectivas semejantes.
En qué consiste el flujo colectivo de partículas
Para buscarla, los responsables del CMS examinaron las correlaciones entre partículas separadas por grandes distancias dentro del detector. Si muchas de ellas muestran direcciones relacionadas pese a encontrarse muy alejadas, es poco probable que esa coordinación sea fruto de una desintegración local o de un chorro de partículas.
La explicación hidrodinámica sostiene que todas responden a la expansión conjunta del medio creado en el impacto.
Los investigadores cuantificaron esa expansión mediante dos parámetros:
✅ El primero, denominado flujo elíptico o v2, mide hasta qué punto las partículas prefieren salir siguiendo un patrón ovalado. Es especialmente sensible a la forma alargada de la región donde se solapan los núcleos.
✅ El segundo, el flujo triangular o v3, detecta una distribución con tres direcciones dominantes, relacionada en buena medida con fluctuaciones en la posición de protones y neutrones.
El equipo del CMS observó señales significativas de ambos tipos de flujo tanto en el oxígeno como en el neón.
Comparación del flujo colectivo en colisiones de neón y oxígeno según su centralidad. El aumento del flujo elíptico del neón en los choques más frontales —cerca del 0 %— respalda una geometría nuclear más deformada, mientras que el flujo triangular disminuye. Los puntos representan los datos de CMS y las bandas, las predicciones de distintos modelos teóricos. Cortesía: Colaboración CMS.
Cómo cambia el flujo según el tipo de colisión
El flujo elíptico aumentaba desde las colisiones periféricas —aquellas en las que los núcleos apenas se rozan— hasta los impactos intermedios, para descender de nuevo en los choques más centrales. El flujo triangular, en cambio, crecía de modo progresivo a medida que aumentaba el solapamiento entre los dos núcleos.
Este comportamiento contiene información sobre dos procesos diferentes que ocurren casi al mismo tiempo:
1️⃣ La geometría de la región inicial del impacto.
2️⃣ La expansión colectiva de la materia creada.
Por eso, una determinada distribución final de partículas no puede interpretarse únicamente como el reflejo directo de la forma del núcleo.
La clave del experimento consistió en comparar el neón con el oxígeno. Ambos son núcleos ligeros y tienen masas relativamente próximas, de modo que deberían generar sistemas con una evolución hidrodinámica parecida. Las diferencias que persisten entre ellos pueden atribuirse, con mayor confianza, a su estructura inicial.
Por qué se compararon el oxígeno-16 y el neón-20
Los cálculos modernos de estructura nuclear predicen que el oxígeno-16 puede albergar correlaciones con una configuración aproximadamente tetraédrica. El neón-20 tendría una estructura más alargada, descrita en algunos modelos como parecida a un bolo de bolera.
En estas descripciones, los protones y neutrones también pueden agruparse en conjuntos de dos protones y dos neutrones, conocidos como cúmulos alfa.
No se trata, sin embargo, de pequeñas esferas rígidas pegadas unas a otras. Son configuraciones cuánticas superpuestas, dinámicas y difíciles de observar directamente.
Aunque vistos desde fuera parecen esféricos, estos núcleos pueden adoptar distintas configuraciones internas que, al promediarse, ocultan su verdadera geometría. Cada colisión captura durante un instante una disposición concreta de sus protones y neutrones, como si tomara una fotografía fugaz de su estructura.
La señal que apunta a un neón más deformado
Para aislar esa señal, el equipo de físicos calculó el cociente entre los valores de flujo medidos en las colisiones de neón y los obtenidos con oxígeno.
➡️ «Observamos un aumento significativo del cociente del flujo elíptico en las colisiones más centrales», señalan los científicos delCMS. Ese crecimiento apareció tanto en las correlaciones entre dos partículas como en las de cuatro partículas, una técnica que reduce la contaminación causada por chorros y desintegraciones.
El resultado encaja cualitativamente con un neón-20 más deformado. En un choque frontal, dos núcleos perfectamente esféricos deberían crear, en promedio, una región casi circular. Si uno de ellos posee una estructura intrínseca alargada, incluso los impactos más centrales pueden originar una zona de solapamiento ovalada.
Al expandirse, esa región genera un flujo elíptico más intenso. La deformación que no se ve directamente reaparece, por tanto, en la dirección de salida de las partículas.
Panorámica del detector CMS, instalado a unos 100 metros bajo tierra en el CERN. Sus diferentes capas reconstruyen las trayectorias de las partículas producidas en cada colisión y permiten deducir, a partir de sus direcciones, la geometría inicial de los núcleos de oxígeno y neón. Cortesía: Suaudeau
El flujo triangular plantea nuevas incógnitas
El flujo triangular contó una historia diferente. El cociente entre neón y oxígeno disminuyó desde las colisiones periféricas hasta las más centrales. Los modelos hidrodinámicos consiguieron reproducir la tendencia general, pero ninguno explicó con precisión todos los valores.
➡️ «Ninguno de los tres cálculos reproduce cuantitativamente los cocientes medidos de v3», admiten los autores. La discrepancia indica que todavía no se comprenden del todo las fluctuaciones que dominan la geometría inicial de estos sistemas diminutos.
Qué modelos se utilizaron para interpretar los datos
La colaboración comparó las mediciones con varios marcos teóricos que combinan cálculos ab initio de estructura nuclear y simulaciones hidrodinámicas.
Entre ellos se encuentran:
Trajectum, que simula la expansión hidrodinámica del sistema.
Nuclear Lattice Effective Field Theory o NLEFT, una descripción de los núcleos basada en teoría efectiva de campos sobre una red.
Projected Generator Coordinate Method o PGCM, utilizado para calcular configuraciones nucleares respetando determinadas simetrías cuánticas.
IP-Glasma, que modeliza las condiciones iniciales de la colisión a partir de los campos de gluones.
MUSIC, un modelo hidrodinámico empleado para simular la evolución de la materia caliente.
Todos captaron algunas tendencias, pero ninguno reprodujo a la vez la magnitud completa de los flujos elíptico y triangular en todo el intervalo de centralidad.
Las colisiones entre núcleos de oxígeno-16 y entre núcleos de neón-20 produjeron patrones de partículas diferentes. Esas variaciones permiten reconstruir su geometría y apuntan a que el neón posee una estructura más alargada y deformada. Crédito: Julien Ordan/CERN.
Qué limitaciones tiene el estudio
Los investigadores subrayan que la interpretación depende de la combinación entre los datos experimentales y los modelos teóricos. La señal observada respalda una geometría deformada del neón, pero todavía no permite medir con exactitud su forma.
➡️ «Una determinación cuantitativa de la deformación requiere nuevos estudios específicos», advierten los autores.
Por tanto, los resultados no demuestran que el neón sea un objeto rígido con forma de bolo. Indican que sus correlaciones internas generan, durante las colisiones, una distribución de materia menos esférica que la del oxígeno.
También será necesario mejorar la descripción de las fluctuaciones iniciales y comprender mejor hasta qué punto la respuesta colectiva de estos sistemas pequeños puede interpretarse mediante las mismas leyes hidrodinámicas utilizadas en colisiones de núcleos pesados.
Por qué este descubrimiento es importante
El estudio muestra que un acelerador concebido para investigar las partículas fundamentales también puede utilizarse como una herramienta de exploración de la estructura de los núcleos atómicos.
Las colisiones relativistas complementan otros métodos, como la espectroscopia nuclear, la dispersión de electrones o el estudio de transiciones energéticas. Su principal ventaja es que permiten relacionar la distribución tridimensional de protones y neutrones con la expansión de la materia producida.
Cada colisión destruye los núcleos originales, pero el patrón de los fragmentos conserva durante un instante el recuerdo de su geometría.
Las nuevas mediciones proporcionan, además, restricciones más exigentes para los modelos de cromodinámica cuántica, estructura nuclear y plasma de quarks y gluones. También pueden ayudar a esclarecer por qué aparecen señales colectivas en sistemas mucho más pequeños de lo que los físicos consideraban posible hace apenas unas décadas.▪️(23-agosto-2026)
LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- El experimento CMS del LHC analizó colisiones entre núcleos de oxígeno-16 y de neón-20 a velocidades próximas a la de la luz.
- Las partículas producidas mostraron un movimiento colectivo condicionado por la geometría inicial de los núcleos.
- El mayor flujo elíptico observado en las colisiones centrales de neón indica que este núcleo es más alargado y menos esférico que el oxígeno.
- Los resultados respaldan los modelos que atribuyen al oxígeno una configuración más compacta y al neón una estructura semejante a un bolo de bolera.
- Ningún modelo explica todavía todos los datos, especialmente el flujo triangular, por lo que serán necesarios nuevos estudios.
- El trabajo demuestra que las colisiones del LHC pueden utilizarse para explorar la estructura tridimensional de los núcleos atómicos.
PREGUNTAS & RESPUESTAS: Geometría Nuclear y Oxígeno y Neón
⚛️ ¿Qué ha descubierto el LHC sobre el neón?
Las colisiones registradas por CMS indican que el neón-20 posee una distribución intrínseca de materia menos esférica y más deformada que el oxígeno-16. La conclusión se basa en el mayor flujo elíptico relativo observado en los choques más centrales.
⚛️ ¿Tiene realmente el neón forma de bolo?
No en el sentido de un objeto rígido. Algunos modelos describen su geometría intrínseca como alargada y semejante a un bolo de bolera, pero el núcleo es un sistema cuántico dinámico. La forma observada corresponde a distribuciones y correlaciones de protones y neutrones.
⚛️ ¿Cómo puede una colisión revelar la forma de un núcleo?
La distribución de protones y neutrones determina la geometría de la región creada en el impacto. Esa región se expande y condiciona las direcciones de las partículas finales. Al analizar su flujo, los científicos pueden inferir características de la estructura inicial.
⚛️ ¿Qué diferencia existe entre el flujo elíptico y el triangular?
El flujo elíptico o v2 mide una emisión de partículas con patrón ovalado y es sensible a la deformación de la zona de solapamiento. El flujo triangular o v3 mide una distribución con tres direcciones dominantes y refleja especialmente las fluctuaciones internas del sistema.
⚛️ ¿Demuestra el estudio que se formó plasma de quarks y gluones?
El experimento detectó un comportamiento colectivo compatible con una evolución hidrodinámica, pero no constituye por sí solo una demostración definitiva de que se formara un plasma de quarks y gluones plenamente desarrollado en todas las colisiones.
⚛️ ¿Por qué es importante comparar oxígeno y neón?
Ambos son núcleos ligeros con masas relativamente similares. Esta semejanza reduce las diferencias en la evolución del sistema y permite que los cambios observados en el flujo sean más sensibles a la geometría nuclear inicial.
FÍSICA DE PARTÍCULAS
Fuente: A. Hayrapetyan, V. Makarenko, A. Tumasyan, W. Adam, L. Benato, T. Bergauer, M. Dragicevic, C. Giordano, P. S. Hussain et al. (CMS Collaboration). Observation of Long-Range Collective Flow in O+O and Ne+Ne Collisions and Implications for Nuclear Structure Studies. Physical Review Letters (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/26wx-tg6f
