Por Canuto  

Un cálculo de físicos del MIT y UCSB apunta a que los quarks pesados pueden recibir empujones extremos y desiguales al cruzar el plasma de quarks y gluones. Esa huella podría ayudar a investigar la estructura microscópica del fluido que existió en los primeros instantes del universo.
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  • El equipo amplió la descripción del movimiento browniano de Einstein para partículas que viajan a velocidades cercanas a la de la luz.
  • Los cálculos predicen que los quarks pesados pueden experimentar cambios de momento grandes y asimétricos.
  • Los investigadores proponen comparar esas predicciones con experimentos para estudiar el plasma de quarks y gluones.

Físicos predicen empujones inesperados en el plasma primordial del universo

Una partícula pesada que atraviesa un fluido puede revelar detalles de aquello que no se ve a simple vista: sus componentes microscópicos y las fuerzas que ejercen. Físicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) desarrollaron una teoría para describir ese movimiento cuando la partícula viaja cerca de la velocidad de la luz, una condición en la que la explicación clásica del movimiento browniano deja de ser suficiente.

El método podría aplicarse a quarks pesados que cruzan el plasma de quarks y gluones, una forma de materia que existió durante los primeros instantes posteriores al Big Bang. Según la información publicada por MIT News el 5 de noviembre de 2026, los cálculos del equipo predicen que ciertos cambios grandes en el movimiento de esas partículas podrían ser más frecuentes y menos simétricos de lo que anticipa una distribución convencional en forma de campana.

Un fluido creado en colisiones de partículas

En la primera fracción de segundo tras el Big Bang, la materia habría estado en un estado extremadamente caliente, compuesto por quarks y gluones que se desplazaban a gran velocidad. Esa etapa duró apenas unos pocos microsegundos, antes de que las partículas se combinaran para formar protones y neutrones más estables. El plasma de quarks y gluones es, por eso, una ventana teórica y experimental hacia condiciones muy tempranas del universo.

Los científicos recrean ese estado mediante colisiones de iones a velocidades cercanas a la de la luz en grandes aceleradores. En el Relativistic Heavy Ion Collider, por ejemplo, los choques de iones de oro producen pequeñas gotas de plasma, de un tamaño aproximado al de un núcleo atómico, que persisten durante decenas de septillonésimas de segundo. Su brevedad y escala hacen que los investigadores deban inferir sus propiedades a partir de las partículas que emergen después de cada colisión.

Una de las herramientas consiste en observar partículas que no forman parte del plasma, pero que lo atraviesan mientras este existe. Los quarks pesados interesan porque su movimiento puede modificarse por las interacciones con el fluido; medir o modelar esos cambios ofrece indicios sobre las fuerzas microscópicas que actúan en su interior. La propuesta del equipo no observa directamente cada componente del plasma, sino que busca extraer información de la respuesta de la partícula viajera.

El vínculo entre el movimiento de una partícula y la estructura interna de un fluido tiene un antecedente central en el trabajo de Albert Einstein de 1905. La formulación partió de un fenómeno que el botánico Robert Brown había observado en 1827: granos de polen suspendidos en agua parecían agitarse aleatoriamente, aunque el líquido se viera quieto. Einstein explicó ese movimiento como el resultado de impactos microscópicos de átomos y moléculas sobre partículas mucho mayores.

Por qué la explicación clásica necesita ajustes

En la descripción de Einstein, el movimiento de una partícula en un fluido refleja un equilibrio entre la resistencia que la frena y los empujones aleatorios que recibe. La interacción con los componentes microscópicos del líquido hace que la partícula se mueva de manera irregular, hasta que su comportamiento queda ligado a la temperatura del entorno. Para muchos fluidos, el modelo permite conectar observaciones visibles con propiedades que ocurren a escalas demasiado pequeñas para medirse directamente.

Una manera de representar esos empujones es mediante una distribución de probabilidades con forma de campana. Los cambios moderados aparecen como los más comunes, mientras que los extremos son menos probables y, en la imagen habitual, tienden a presentarse de manera similar en direcciones opuestas. Esa expectativa funciona como referencia para describir el movimiento browniano, pero no necesariamente captura el comportamiento de una partícula que viaja a velocidades relativistas.

Du Plessis explicó que la relación entre resistencia y fluctuaciones que estableció Einstein deja de cumplirse de la misma manera en esas condiciones. El equipo señala que desde hace unos 20 años se sabía que algo faltaba en la descripción de partículas relativistas, lo que motivó la búsqueda de un marco más amplio. El nuevo trabajo se concentra en calcular con mayor detalle qué fuerzas puede experimentar un quark pesado al atravesar un medio de quarks y gluones.

Para abordar el problema, Jean Du Plessis, estudiante de posgrado del Center for Theoretical Physics del MIT, y Bruno Scheihing-Hitschfeld, del Kavli Institute for Theoretical Physics de UCSB, estudiaron las interacciones de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza mantiene unidos a quarks y gluones, y constituye el mecanismo relevante para calcular los cambios de momento de una partícula pesada en ese entorno. Sus resultados fueron reportados en la revista Physical Review Letters.

Una distribución inclinada y empujones desiguales

El cálculo comenzó con un escenario manejable: un quark pesado relativista atravesando un gas de quarks y gluones que interactúan débilmente. A partir de ese planteamiento, los investigadores estimaron la fuerza nuclear fuerte que actúa sobre el quark y la probabilidad de que cambie su momento durante el recorrido. El resultado fue una distribución que permite estudiar tanto los cambios pequeños como los empujones más intensos.

Para fluctuaciones pequeñas, la curva conserva una forma de campana, similar a la asociada con el movimiento browniano convencional. Sin embargo, sus extremos no son iguales: la distribución presenta una inclinación que señala una diferencia entre los tipos de empujones grandes que puede recibir el quark. En particular, el cálculo indica que un impulso que lo frena más de lo esperado por la resistencia del fluido es más probable que otro de magnitud semejante que lo acelere más de lo previsto.

La diferencia importa porque los empujones extremos contienen información que podría perderse si el movimiento se resume solo mediante fluctuaciones medias. Du Plessis sostuvo que esos cambios inusualmente grandes podrían ofrecer una nueva fuente de datos sobre la naturaleza microscópica del plasma. La teoría plantea así una forma de analizar no solo cuánto se modifica, en promedio, el movimiento de un quark, sino también la frecuencia y la dirección de las desviaciones más raras.

El equipo repitió el cálculo para plasmas compuestos por partículas distintas y encontró que la misma forma inclinada aparece con independencia de esa composición. También identificó esa estructura en un cálculo anterior referido a un plasma fuertemente acoplado, aunque la física microscópica de ese caso fuera diferente. Los investigadores describen el patrón como aparentemente universal, pero sus resultados son una formulación teórica y no una confirmación experimental de que todas las condiciones reales del plasma se comporten de modo idéntico.

Qué podría aportar el método a los experimentos

El siguiente paso que sugiere el trabajo es contrastar las predicciones sobre quarks pesados con observaciones experimentales. Si los datos permiten identificar la frecuencia de los grandes cambios de momento y su asimetría, los investigadores podrían utilizarlos para caracterizar mejor el interior del plasma de quarks y gluones. Esa comparación sería clave para determinar cuánto de la estructura calculada se manifiesta en las colisiones que recrean el fluido primordial.

La interpretación también podría ayudar a precisar qué tipo de medio fue aquel plasma en los primeros momentos del universo. Du Plessis indicó que, según esta forma de modelar el movimiento browniano, el plasma primordial probablemente interactuaba con más fuerza de lo que sugeriría una descripción basada en ese modelo. Lo comparó con un líquido, en lugar de un gas, una caracterización que debe entenderse como una inferencia asociada con el análisis teórico y no como una observación directa del universo temprano.

El estudio amplía una idea con más de un siglo de historia: las fluctuaciones de una partícula pueden funcionar como mensajeras de la estructura del fluido que la rodea. Pero la velocidad relativista y las interacciones de la fuerza nuclear fuerte obligan a considerar comportamientos que la descripción original de Einstein no contemplaba. Para los investigadores, atender las colas desiguales de la distribución abre una vía concreta para aprovechar información que los cambios promedio no reflejan.

La investigación recibió apoyo de la Office of Nuclear Physics de la Office of Science del Departamento de Energía de Estados Unidos, la National Science Foundation de Estados Unidos y la Simons Foundation. Por ahora, la contribución central del trabajo es teórica: calcula una estructura de empujones y propone cómo podría usarse para estudiar el plasma. La posibilidad de describir con mayor precisión ese fluido dependerá de cómo puedan compararse esas predicciones con los resultados experimentales.


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