Dos físicos han ampliado la descripción del movimiento browniano de Einstein para calcular cómo se mueven los cuarks pesados al atravesar este plasma. Su trabajo predice que pierden velocidad de golpe más a menudo de lo esperado, y la frecuencia de esos frenazos podría revelar cómo interactúan las partículas en el fluido primordial.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Ilustración de un cuark pesado al atravesar una gota de plasma de cuarks y gluones. Los puntos azules marcan su posición a intervalos iguales de tiempo. Al quedar más juntos, indican que la partícula ha perdido velocidad. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón
En el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN, cerca de Ginebra, dos núcleos de plomo chocan a una velocidad cercana a la de la luz. Del impacto nace una gota de materia de un tamaño comparable al de un núcleo atómico. Al expandirse, la gota se enfría y desaparece en unas pocas decenas de cuatrillonésimas de segundo. En ese breve intervalo, un cuark pesado producido en la misma colisión puede atravesarla y perder velocidad de golpe. Dos físicos han calculado con qué frecuencia cabe esperar frenazos de esa magnitud.
Los cuarks son partículas elementales que forman parte de los protones y los neutrones. Los gluones transmiten la fuerza fuerte, que mantiene unidos a los cuarks dentro de esas partículas. A la temperatura extrema de la gota, los cuarks y los gluones pueden desplazarse por el plasma sin quedar confinados en protones ni neutrones.
El plasma de cuarks y gluones recrea por un instante el estado en que se encontraba la materia durante los primeros microsegundos del universo. Entonces, la temperatura era del orden de un billón de grados. A medida que el universo se expandió y se enfrió, los cuarks quedaron confinados en partículas compuestas, entre ellas los protones y los neutrones que acabarían formando los núcleos atómicos. En 2005, los experimentos del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), en Estados Unidos, mostraron que la materia producida en estas colisiones fluía de forma colectiva y con muy poca viscosidad, como un líquido casi perfecto.
Jean F. Du Plessis, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y Bruno Scheihing-Hitschfeld, del Instituto Kavli de Física Teórica de la Universidad de California en Santa Bárbara, en Estados Unidos, han buscado una forma de pasar de ese retrato colectivo a lo que ocurre a escala de las partículas. En el trabajo, publicado en el último número de la revista Physical Review Letters, calculan cómo cambia el movimiento de un cuark pesado al intercambiar energía y cantidad de movimiento con el plasma.
«Nuestro resultado revela una nueva fuente de información», explica Du Plessis en un comunicado del MIT News. Esa información, añade, está en la frecuencia con que se producen cambios de movimiento excepcionalmente grandes.
Los físicos Bruno Scheihing-Hitschfeld (izquierda) y Jean F. Du Plessis, retratados al estilo pop art. Su estudio predice cómo pierden velocidad los quarks pesados al atravesar el plasma de cuarks y gluones. Ilustración: IA-Gemini / RexMolón Producciones
Del movimiento browniano de Einstein a los quarks pesados
La masa de estos cuarks los convierte en buenas sondas. Estas partículas aparecen en los primeros instantes de la colisión, antes de que se forme la gota de plasma, y su movimiento tarda en ajustarse al del medio. Así, las partículas que se forman a partir de ellos conservan parte de la huella de su paso por el plasma. Los físicos pueden examinarla acumulando datos de muchas colisiones, del mismo modo que necesitan observar muchos desplazamientos de una partícula suspendida en agua para caracterizar su agitación.
En 1905, Albert Einstein desarrolló una teoría para describir el movimiento de una partícula a través de un fluido y cómo ese movimiento puede revelar la estructura microscópica del fluido. Su teoría se inspiró en el botánico escocés Robert Brown. En junio de 1827, el botánico escocés Robert Brown examinaba al microscopio el polen de Clarkia pulchella. En el agua, aparentemente en reposo, vio que unas partículas diminutas procedentes del interior de los granos se agitaban y cambiaban de dirección de forma irregular. Al repetir la observación con polvo de vidrio, encontró el mismo vaivén y comprobó que también ocurría en materia inerte. La causa de aquel movimiento quedó sin resolver. Con el tiempo, el fenómeno recibió el nombre de movimiento browniano en su honor.
La teoría de Einstein de 1905 demostró que el movimiento browniano era el resultado de fuerzas microscópicas invisibles presentes en el fluido. El movimiento de una partícula es un equilibrio entre la resistencia que el fluido ejerce sobre ella para frenarla y los empujones aleatorios dentro del fluido que la mantienen en movimiento. Estos empujones aleatorios, argumentó Einstein, deben provenir de fuerzas microscópicas dentro del fluido, ejercidas nada menos que por los átomos y las moléculas que lo componen. La energía de estas partículas microscópicas puede sumarse para empujar y sacudir a partículas más grandes.
Desde que publicó por primera vez su teoría, los científicos han aplicado la explicación de Einstein sobre el movimiento browniano para caracterizar una gran variedad de fluidos, incluido el plasma de cuarks y gluones. Al igual que ocurre con la mayoría de los demás fluidos, se suponía que una partícula que se moviera a través del plasma de cuarks y gluones debería experimentar un equilibrio similar de impulsos microscópicos al de un grano de polen que se mueve a través del agua.
Qué ocurre cuando el cuark se mueve a gran velocidad
En el modelo habitual, los cambios de movimiento de una partícula que atraviesa un fluido siguen una distribución en forma de campana de Gauss. Los más probables se agrupan en el centro, cerca del valor medio. Cuanto más se aleja un cambio de ese valor, menos probable resulta. Y, si dos desviaciones son igual de grandes, tienen la misma probabilidad a uno y otro lado de la campana.
«Einstein demostró que la resistencia y los empujones aleatorios deben equilibrarse de la manera justa para que una partícula acabe alcanzando la misma temperatura que su entorno —explica Du Plessis—. Para los tipos de fluidos en los que él pensaba, tenía razón. Pero para las partículas que se mueven a velocidades relativistas, esta relación deja de ser válida. Y llevamos veinte años sabiendo que falta algo. Por eso tenemos que ir más allá del trabajo que realizó Einstein».
Qué predice el estudio sobre los frenazos de los cuarks
Para averiguar qué faltaba, Du Plessis y Scheihing-Hitschfeld recurrieron a la cromodinámica cuántica, la teoría de la interacción fuerte entre cuarks y gluones. Comenzaron por un caso en el que podían hacer los cálculos de manera controlada, esto es, con un plasma cuyas partículas interactúan débilmente entre sí. Combinaron dos formas de calcular los intercambios, una adecuada para los más suaves y otra para los más intensos.
Así obtuvieron la distribución de los cambios de cantidad de movimiento a lo largo de la dirección en que viaja el quark, desde las pequeñas variaciones alrededor del frenado medio hasta las sacudidas excepcionales.
El resultado conserva un centro parecido al de una campana. En los extremos, llamados colas, las probabilidades decrecen de forma exponencial y a un ritmo diferente a cada lado. Las sacudidas raras «son más frecuentes de lo que predice la campana», explica Du Plessis. Un cuark tiene más probabilidades de acabar mucho más lento de lo esperado por el arrastre medio que de desviarse en la misma medida en sentido contrario. En los ejemplos del estudio, la diferencia se aprecia a la mitad de la velocidad de la luz y se acentúa al alcanzar el 95 % de la velocidad de la luz.
Por qué importan los cambios más raros
Aunque sean infrecuentes, esos episodios son necesarios en el modelo para describir cómo el cuark llega al equilibrio térmico con su entorno. Un solo frenazo intenso puede cambiar su velocidad lo suficiente como para alterar las probabilidades de los empujones que reciba después.
«Nuestro resultado revela una nueva fuente de información», señala Du Plessis. Al frenado medio y a la dispersión de los cambios habituales, los autores proponen añadir un dato que indica con qué rapidez se vuelven improbables los grandes intercambios. La misma forma general de la distribución aparece en varios plasmas teóricos, incluido uno con interacciones intensas.
Si el patrón se da también en el plasma real, la frecuencia de los frenazos extremos aportaría información sobre las interacciones en su interior.
Cuando dos haces de iones de oro chocan en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), se forma el plasma de cuarks y gluones. Poco después de la colisión, las partículas se dispersan hacia varios detectores. Esta es la vista frontal tomada desde STAR, uno de los cuatro detectores. Cortesía: Brookhaven National Laboratory.
Cómo podría comprobarse la predicción en el CERN
Para poner a prueba la predicción habrá que volver a los aceleradores de partículas. En el CERN, el experimento ALICE ya utiliza cuarks pesados de los tipos charm (encanto) y down (abajo) como sondas del plasma. Se producen en los primeros instantes de la colisión, antes de que se forme la gota. Su gran masa hace que su movimiento tarde en ajustarse al del medio. Los detectores registran las partículas en las que quedan incorporados al enfriarse el plasma, como los mesones D, que contienen un quark encanto o su antipartícula. Con muchas colisiones, los físicos pueden reconstruir estadísticamente la huella de su paso.
Qué falta por medir
La prueba consiste en averiguar si el nuevo modelo explica mejor esas mediciones una vez considerados otros factores, como la velocidad inicial del cuark y la evolución de la gota de plasma decuarks y gluones. Los autores proponen comparar las colisiones de plomo con las de núcleos más ligeros, como los de oxígeno y neón. Si la asimetría deja una huella medible, los frenazos menos corrientes ayudarán a entender cómo interactuaban las partículas en el primer fluido del universo.▪️(8 de noviembre de 2026)
Lo más importante del estudio, en 30 segundos
Un nuevo cálculo sobre cómo se frenan los quarks pesados ofrece una pista para estudiar el primer fluido del universo.
¿Qué es el plasma de cuarks y gluones?
El plasma de cuarks y gluones es un estado de la materia que llenó el universo en sus primeros microsegundos y que hoy se recrea en aceleradores de partículas.
¿Qué predice el nuevo modelo?
Para un cuark pesado que viaja a gran velocidad, una desviación extrema hacia un mayor frenado es más probable que una desviación igual en sentido contrario.
¿Qué queda por comprobar en el CERN?
Los físicos deberán comprobar si esa asimetría ayuda a explicar las mediciones de las partículas que salen de las colisiones de iones pesados en el CERN.
FÍSICA DE PARTÍCULAS
¿Puede formarse el plasma primordial en colisiones de protones? Nuevas pistas del experimento ALICE en el CERN.
Información facilitada por MIT News
Fuente: Du Plessis, Jean F. and Scheihing-Hitschfeld, Bruno. Heavy Quark Transport Is Non-Gaussian beyond Leading Logarithm. American Physical Society (2026). DOI: https://link.aps.org/doi/10.1103/7fd5-1kq5
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