¿Puede formarse el plasma primordial en colisiones de protones? Nuevas pistas del experimento ALICE en el CERN
El experimento ALICE del CERN encuentra nuevas evidencias de comportamiento colectivo en colisiones de protones, un fenómeno asociado al plasma de cuarks y gluones, el estado más primitivo de la materia tras el big bang.
Por Enrique Coperías, periodista científico
El enorme yugo de hierro en la caverna del Punto 2 del LHC se prepara para la instalación del experimento ALICE, reutilizando parte de la estructura del detector L3 del antiguo acelerador LEP (1989–2000). Desde este mismo lugar, ALICE estudia hoy el plasma de cuarks y gluones, el estado más primitivo de la materia tras el big bang, y ha encontrado nuevos indicios de que puede formarse incluso en colisiones de protones, no solo en grandes núcleos atómicos. Cortesía: CERN
Desde hace veinticinco o treinta años, los físicos han recreado en el laboratorio uno de los estados más extremos de la materia: el plasma de cuarks y gluones, una sopa subatómica que existió apenas microsegundos después del big bang, el punto inicial del cual surgió la materia, el espacio y el tiempo.
Hasta ahora, este estado —considerado el más primitivo del universo— solo se había observado con claridad en colisiones de grandes núcleos atómicos, como las de plomo contra plomo en el gran colisionador de hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe y la máquina más grande construida por el ser humano en el mundo construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra.
Pero una nueva investigación de la colaboración ALICE, también en el CERN, sugiere que este fenómeno podría emerger incluso en escenarios mucho más pequeños.
El hallazgo, publicado en la revista Nature Communications, aporta nuevas evidencias de que también en colisiones de protones —las más simples posibles— pueden generarse sistemas que se comportan como ese plasma primordial. No es una prueba definitiva, pero sí un paso más en un debate que divide a la comunidad desde hace años: ¿puede formarse el plasma de cuarks y gluones en sistemas diminutos?
¿Qué es el plasma de cuarks y gluones?
Para entender la relevancia del resultado, conviene retroceder a los orígenes del universo. En condiciones normales, los cuarks, las partículas fundamentales que forman los protones y neutrones, están confinados dentro de estos dos últimos. Pero a temperaturas y densidades extremas, como las que se alcanzan en las colisiones de alta energía, ese confinamiento desaparece. Surge entonces un fluido de cuarks y gluones —partículas fundamentales que actúan como pegamento entre los quarks— libres: el plasma de quarks y gluones.
Este plasma no es un gas caótico, como podría imaginarse, sino un líquido sorprendentemente ordenado, con una viscosidad extremadamente baja, cercano al límite teórico mínimo. Su comportamiento colectivo deja huellas medibles en los productos de las colisiones, especialmente en cómo las partículas se distribuyen en el espacio.
Una de esas huellas es el llamado flujo anisótropo: una especie de patrón direccional en la emisión de partículas. En las colisiones de grandes núcleos, este flujo se interpreta como una señal inequívoca de que la materia ha pasado por una fase de plasma.
El hallazgo: señales de plasma en colisiones pequeñas
Sin embargo, en los últimos años han aparecido indicios similares en colisiones mucho más pequeñas, como las de protón-protón y protón-núcleo. Estos encontronazos, en principio, no deberían generar suficiente energía o tamaño para formar un plasma de cuarks y gluones. Aun así, experimentos en el LHC y en otros aceleradores han detectado señales que recuerdan sospechosamente a las observadas en sistemas grandes.
Esto ha abierto una controversia fundamental. ¿Se trata realmente de un plasma en miniatura? ¿O hay otros mecanismos, quizá efectos iniciales en la distribución de gluones, que imitan estas señales sin necesidad de una fase de materia desconfinada?
La nueva investigación de ALICE intenta arrojar luz sobre esta cuestión con una estrategia más precisa.
Derecha: una colisión protón-protón en el LHC en la que se producen numerosas partículas registradas por el detector ALICE. Izquierda: Ilustración del flujo anisótropo de mesones y bariones observado en estos datos, donde las flechas indican direcciones preferentes de emisión. Este patrón, característico del plasma de cuarks y gluones, refuerza la idea de que incluso en colisiones pequeñas puede surgir un comportamiento colectivo similar al del universo primitivo. Cortesía: ALICE/CERN
¿Qué evidencia han encontrado los científicos?
El estudio se centra en una propiedad muy concreta: cómo se comporta el flujo anisótropo en función del tipo de partícula producida. En particular, distingue entre dos familias:
✅ Los mesones, formados por un cuark y un anticuark.
✅ Los bariones, compuestos por tres cuarks.
En colisiones de iones pesados, se observa un patrón característico: a energías intermedias, los bariones presentan un flujo más intenso que los mesones. Esta separación entre ambos tipos de partículas se interpreta como una señal de que el flujo se origina a nivel de cuarks individuales, antes de que se formen las partículas finales. Es decir, apunta a la existencia de un medio en el que los cuarks se mueven colectivamente: el plasma.
Lo novedoso es que ALICE ha observado este mismo patrón en colisiones de protones y de protones con núcleos, siempre que se seleccionan eventos con alta multiplicidad, esto es, aquellos en los que se producen muchas partículas.
🗣️ «Esta es la primera vez que observamos, en un amplio intervalo de momento y para múltiples especies de partículas, este patrón de flujo en un subconjunto de colisiones de protones en las que se produce un número inusualmente alto de partículas —explica David Dobrigkeit Chinellato, coordinador de Física del experimento ALICE. Y añade—: Nuestros resultados respaldan la hipótesis de que existe un sistema de quarks en expansión incluso cuando el tamaño del sistema de colisión es pequeño».
En palabras sencillas: incluso en estos sistemas pequeños, los bariones y los mesones parecen recordar que sus componentes —loscuarks— ya estaban organizados colectivamente antes de combinarse.
Un resultado difícil de explicar sin plasma
El equipo ha aplicado técnicas avanzadas para eliminar efectos espurios, como correlaciones debidas a chorros de partículas y decaimientos, que podrían imitar el fenómeno. Tras esta depuración, la señal persiste con claridad: la separación entre bariones y mesones es significativa, del orden de cinco desviaciones estándar, un nivel estadístico muy sólido.
Además, los datos se han comparado con distintos modelos teóricos. El que mejor reproduce los resultados es uno que combina evolución hidrodinámica —propia de un fluido como el plasma— con un mecanismo de formación de partículas basado en la coalescencia de quarks.
En cambio, otros enfoques que no incluyen una fase de plasma, como ciertos modelos basados en interacciones hadrónicas o en efectos iniciales de gluones, no logran explicar simultáneamente todas las características observadas.
Esquema de una colisión de partículas: la zona gris muestra dónde se solapan, y las flechas indican hacia dónde salen las partículas tras el choque. A la izquierda, emisiones independientes (como chorros de partículas) que no reflejan un comportamiento colectivo y se eliminan del análisis. A la derecha, el flujo anisótropo, donde muchas partículas se mueven de forma coordinada en direcciones preferentes. Este patrón, que surge cuando los cuarks se agrupan para formar nuevas partículas, es una de las pistas clave de la posible aparición del plasma de cuarks y gluones. Cortesía: ALICE/CERN
Un paso más, pero no el definitivo
Pese a la solidez de los resultados, los propios autores del trabajo son cautos. El estudio no demuestra de forma definitiva que el plasma de cuarks y gluones se forme en colisiones de protones. Pero sí proporciona una evidencia consistente de que, al menos durante un breve instante, el sistema podría pasar por una fase en la que los cuarks fluyen colectivamente.
Esto plantea preguntas profundas. Sin ir más lejos, ¿cuál es el tamaño mínimo necesario para que surja este estado de la materia? ¿Es el plasma una propiedad universal de la cromodinámica cuántica —la teoría que describe las interacciones entre cuarks y gluones— que aparece siempre que se alcanza cierta densidad de energía, independientemente del tamaño del sistema?
Y, quizá más importante, ¿estamos ante un fenómeno continuo —un encendido gradual del plasma— o existe un umbral claro entre sistemas que lo forman y los que no?
🗣️ «Esperamos que, con las colisiones de oxígeno registradas en 2025, que sirven de puente entre las colisiones de protones y las de plomo, obtengamos nuevos conocimientos sobre la naturaleza y la evolución del plasma de quarks y gluones en distintos sistemas de colisión», señala Kai Schweda, portavoz de ALICE.
El universo en miniatura
Las colisiones en el LHC son, en cierto sentido, recreaciones microscópicas del universo primitivo. Lo que estos resultados sugieren es que ese universo temprano podría no ser tan exclusivo de las grandes explosiones nucleares como se pensaba.
Incluso en los sistemas más pequeños, donde apenas unas decenas de partículas emergen del choque, podrían darse las condiciones para que la materia adopte temporalmente su forma más básica.
Si se confirma, este escenario obligaría a revisar la frontera conceptual entre lo grande y lo pequeño en física de altas energías. Y, como ocurre a menudo en ciencia, lo que parecía un caso límite podría terminar revelando una propiedad fundamental.
Porque, al final, la pregunta no es solo cómo se comporta la materia en condiciones extremas, sino hasta qué punto esas condiciones son más comunes —y más accesibles— de lo que imaginábamos. ▪️(20-marzo-2026)
Información facilitada por el CERN
Fuente: The ALICE Collaboration. Observation of partonic flow in proton—proton and proton—nucleus collisions. Nature Communications (2026). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67795-1
