Ideas sorprendentes sobre los orígenes de la materia en el universo primitivo

Dibujo de un artista de la pulverización de partículas resultantes de la colisión de dos átomos pesados. A medida que la sopa subatómica caliente se enfría, las partículas recién formadas caen al espacio. Copyright: Joseph Domenicus Lapp, editor

Los científicos han recreado las condiciones extremas del universo primitivo en aceleradores de partículas, revelando conocimientos sorprendentes sobre la formación de la materia.

Nuevos cálculos muestran que hasta el 70% de algunas partículas pueden originarse a partir de reacciones posteriores en lugar de la sopa inicial de quarks y gluones que se formó inmediatamente después de la reacción. gran explosiónEste descubrimiento desafía las suposiciones anteriores sobre la línea de tiempo de la formación de la materia y sugiere que gran parte de la materia que nos rodea se formó más tarde de lo esperado. Al comprender estos procesos, los científicos pueden interpretar mejor los resultados de los experimentos de colisión y mejorar su conocimiento sobre los orígenes del universo.

Recreando las duras condiciones que prevalecieron en el universo primitivo

La temperatura del universo primitivo era 250.000 veces más alta que la temperatura del núcleo del sol. Esto es mucho más alto que los protones y neutrones que componen la materia que vemos en nuestra vida diaria. Los científicos están tratando de recrear las condiciones que prevalecían en el universo primitivo en los aceleradores de partículas haciendo chocar átomos a una velocidad cercana a la de la luz. Medir la cantidad de partículas que caen sobre el universo permite a los científicos comprender cómo se forma la materia.

Las partículas que miden los científicos pueden formarse de diferentes maneras: a partir de la sopa original de quarks y gluones o de interacciones posteriores. Estas interacciones posteriores comenzaron 0,000001 segundos después del Big Bang, cuando las partículas compuestas de quarks comenzaron a interactuar entre sí. Un nuevo cálculo ha descubierto que hasta el 70% de algunas de las partículas medidas provienen de estas interacciones posteriores, en lugar de interacciones similares a las que ocurrieron en el universo temprano.

Comprender los orígenes de la materia.

Este descubrimiento mejora la comprensión científica de los orígenes de la materia. Ayuda a determinar cuánta materia que nos rodea se formó en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, en comparación con la cantidad de materia que se formó a partir de interacciones posteriores a medida que el universo se expandió. Este resultado indica que grandes cantidades de la materia que nos rodea se formaron más tarde de lo esperado.

Para comprender los resultados de los experimentos de colisión, los científicos deben descartar las partículas que se formaron en interacciones posteriores. Sólo los que se formaron en la sopa subatómica revelan las condiciones tempranas del universo. Este nuevo cálculo muestra que el número medido de partículas formadas en las reacciones es mucho mayor de lo esperado.

La importancia de las reacciones posteriores en la formación de partículas.

En la década de 1990, los físicos se dieron cuenta de que algunas partículas se forman en grandes cantidades a partir de interacciones posteriores a la formación inicial del universo. Las partículas llamadas mesones D pueden interactuar para formar una partícula rara, el carmonio. Los científicos no se ponen de acuerdo sobre la importancia de este efecto. Como el carmonio es escaso, es difícil medirlo.

Sin embargo, experimentos recientes proporcionan datos sobre el número de colisiones producidas por los mesones carmonio y D. Universidad de Yale La Universidad de Duke utilizó los nuevos datos para calcular la fuerza de este efecto. Su importancia resultó ser mucho mayor de lo esperado. En las reacciones se puede formar más del 70% del carmonio medido.

Implicaciones para comprender los orígenes de la materia

A medida que la sopa caliente de partículas subatómicas se enfría, se expande hasta convertirse en una bola de fuego. Todo esto sucede en menos de una centésima parte del tiempo que tarda la luz en atravesarlo. maízDado que es tan rápido, los científicos no están del todo seguros de cómo se expandió la bola de fuego.

Los nuevos cálculos muestran que los científicos no necesitan necesariamente conocer los detalles de esta expansión. Sin embargo, las colisiones producen una gran cantidad de carmonio. El nuevo resultado acerca a los científicos un paso más a la comprensión de los orígenes de la materia.

Referencia: “J/ψ Hadron Regeneration in Pb+Pb Collisions” por Josef Dominicus Lapp y Bernt Müller, 11 de octubre de 2023, Física de las letras b..
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246

Este trabajo fue apoyado por el Programa de Física Nuclear de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Uno de los investigadores también agradece la hospitalidad y el apoyo financiero brindado durante su estadía en la Universidad de Yale.