Desxifrant el comportament de partícules pesants en la matèria més calenta de l’univers
Un equip internacional de científics ha publicat un nou informe que avança cap a una millor comprensió del comportament d’algunes de les partícules més pesants de l’univers en condicions extremes, que són similars a les que hi havia just després de l’explosió del big-bang. La recerca, publicada la revista Physics Reports, la signen els físics Juan M. Torres-Rincón, de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), Santosh K. Das, de l’Institut Indi de Tecnologia Goa (Índia), i Ralf Rapp, de la Universitat A&M de Texas (Estats Units).
Un equip internacional de científics ha publicat un nou informe que avança cap a una millor comprensió del comportament d’algunes de les partícules més pesants de l’univers en condicions extremes, que són similars a les que hi havia just després de l’explosió del big-bang. La recerca, publicada la revista Physics Reports, la signen els físics Juan M. Torres-Rincón, de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), Santosh K. Das, de l’Institut Indi de Tecnologia Goa (Índia), i Ralf Rapp, de la Universitat A&M de Texas (Estats Units).
Els autors han publicat una revisió exhaustiva que explora com interactuen les partícules que contenen quarks pesants (conegudes com hadrons amb encant o charm i fons o bottom) en un entorn calent i dens anomenat matèria hadrònica. Aquest entorn es crea en l’última fase de col·lisions d’alta energia de nuclis atòmics, com les que tenen lloc al Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) i al Col·lisionador Relativista d’Ions Pesants (RHIC). El nou estudi destaca la importància d’incloure les interaccions hadròniques en les simulacions, per poder interpretar amb precisió les dades dels experiments en aquestes grans infraestructures científiques.
La nova recerca amplia la perspectiva sobre com es comporta la matèria en condicions extremes i ajuda a resoldre algunes de les grans incògnites sobre l’origen de l’univers.
Reproduir l’univers primordial
Quan dos nuclis atòmics xoquen a velocitats properes a la de la llum, generen temperatures més de cent mil vegades superiors a les del centre del Sol. Aquestes col·lisions produeixen breument un estat de la matèria anomenat plasma de quarks i gluons (QGP), una sopa de partícules fonamentals que existia microsegons després del big-bang. A mesura que aquest plasma es refreda, es transforma en matèria hadrònica, una fase composta per partícules com ara protons i neutrons, així com altres barions i mesons.
L’estudi se centra en què passa amb els hadrons de sabor pesant (partícules que contenen quarks d’encant o de fons, com els mesons D i B) durant aquesta transició i en l’expansió de la fase hadrònica que la segueix.
Partícules pesants com a sondes
Els quarks pesants són com petits sensors. Com que són tan massius, es produeixen just després de la col·lisió nuclear inicial i es mouen més lentament, i així interactuen de manera diferent amb la matèria circumdant. Conèixer com es dispersen i es difonen és clau per aprendre sobre les propietats del medi pel qual viatgen.
Els investigadors han revisat una àmplia gamma de models teòrics i dades experimentals per entendre com interactuen els hadrons pesants, com els mesons D i B, amb partícules lleugeres en la fase hadrònica. També han examinat com aquestes interaccions afecten quantitats observables com el flux de partícules i la pèrdua de moment.
«Aquesta fase, quan el sistema ja s’ha refredat, encara té un paper important en la manera com les partícules perden energia i flueixen conjuntament. També cal abordar les propietats microscòpiques i de transport d’aquests sistemes pesants just en el punt de transició cap al plasma de quarks i gluons», continua. «Aquesta és l’única manera d’assolir el grau de precisió que exigeixen els experiments i les simulacions actuals».
Per entendre millor aquests resultats, es pot fer servir una analogia senzilla: quan deixem caure una bola pesant en una piscina plena de gent, fins i tot després que les onades més grans s’hagin dissipat, la bola continua desplaçant-se i xocant amb les persones. De manera similar, les partícules pesants creades en col·lisions nuclears continuen interactuant amb altres partícules al seu voltant, fins i tot després de la fase més calenta i caòtica. Aquestes interaccions contínues modifiquen subtilment el moviment de les partícules, i estudiar aquests canvis ajuda els científics a entendre millor les condicions de l’univers primigeni. Ignorar aquesta fase implicaria, en conseqüència, perdre una part important de la història.
Una mirada cap al futur
Entendre com es comporten les partícules pesants en matèria calenta és fonamental per cartografiar les propietats de l’univers primigeni i les forces fonamentals que el regeixen. Les troballes també obren el camí per a futurs experiments a energies més baixes, com els previstos al Supersincrotró de Protons (SPS) del CERN i a la futura instal·lació FAIR a Darmstadt (Alemanya).
Article de referència:
Das, Santosh K. ; Torres-Rincón, Juan M.; Rapp, Ralf. «Charm and bottom hadrons in hot hadronic matter». Physics Reports, juny de 2025. DOI: 10.1016/j.physrep.2025.05.002.