¿Qué tiene en común el plasma de quark-gluón, la sopa caliente de partículas elementales formada unos microsegundos después del Big Bang, con el agua del grifo? Los científicos dicen que es la forma en que fluye.

Un nuevo estudio publicado hoy en la revista Física SciPost , ha destacado las sorprendentes similitudes entre el plasma de quark-gluones, la primera materia que se cree que llenó el Universo primitivo, y agua que sale de nuestro grifo.

La relación entre la viscosidad de un fluido, la medida de lo líquida que es, y su densidad, decide cómo fluye. Si bien tanto la viscosidad como la densidad del plasma de quark-gluón son aproximadamente 16 órdenes de magnitud más grandes que en el agua, los investigadores encontraron que la relación entre la viscosidad y la densidad de los dos tipos de fluidos es la misma. Esto sugiere que uno de los estados de materia más exóticos que se sabe que existen en nuestro universo fluiría de su grifo de la misma manera que el agua.

La materia que compone nuestro Universo está compuesta de átomos, que constan de núcleos con electrones en órbita. Los núcleos consisten en protones y neutrones conocidos colectivamente como nucleones y estos a su vez consisten en quarks que interactúan a través de gluones. A temperaturas muy altas, alrededor de un millón de veces más calientes que el centro de los Sun, los quarks y gluones se liberan de sus nucleones parentales y en su lugar forman una densa, sopa caliente conocida como plasma de quark-gluón.

Se cree que poco después del Big Bang, el universo primitivo se llenó de plasma de quarks-gluones increíblemente caliente. Esto luego se enfrió microsegundos más tarde para formar los bloques de construcción de toda la materia que se encuentra dentro de nuestro universo. Desde principios de la década de 2000, los científicos han podido recrear plasma de quarks-gluones de forma experimental utilizando colisionadores de partículas grandes, que ha proporcionado nuevos conocimientos sobre este exótico estado de la materia.

Se cree que la materia ordinaria que encontramos a diario tiene propiedades muy diferentes al plasma de quark-gluón que se encuentra en los inicios del Universo. Por ejemplo, Los fluidos como el agua se rigen por el comportamiento de átomos y moléculas que son mucho más grandes que las partículas que se encuentran en el plasma de quarks-gluones. y se mantienen unidos por fuerzas más débiles.

Sin embargo, el estudio reciente muestra que a pesar de estas diferencias, la relación entre viscosidad y densidad, conocida como viscosidad cinemática, está cerca tanto en el plasma de quarks-gluones como en los líquidos ordinarios. Esta relación es importante porque el flujo de fluido no depende solo de la viscosidad, sino que se rige por la ecuación de Navier-Stokes, que contiene densidad y viscosidad. Por lo tanto, si esta relación es la misma para dos fluidos diferentes, estos dos fluidos fluirán de la misma manera incluso si tienen viscosidades y densidades muy diferentes.

En tono rimbombante, no es cualquier viscosidad líquida la que coincide con la viscosidad del plasma de quark-gluón. En efecto, La viscosidad del líquido puede variar en muchos órdenes de magnitud dependiendo de la temperatura. Sin embargo, hay un punto muy particular donde la viscosidad del líquido tiene un límite inferior casi universal. Investigaciones anteriores encontraron que en ese límite, La viscosidad del fluido se rige por constantes físicas fundamentales como la constante de Planck y la masa de nucleones. Son estas constantes de la naturaleza las que finalmente deciden si un protón es una partícula estable, y gobiernan procesos como la síntesis nuclear en estrellas y la creación de elementos bioquímicos esenciales necesarios para la vida. El estudio reciente descubrió que es este límite inferior universal de viscosidad de los fluidos ordinarios como el agua el que resulta estar cerca de la viscosidad del plasma de quark-gluón.

Profesor Kostya Trachenko, Profesor de Física en la Universidad Queen Mary de Londres y autor del artículo reciente, dijo:"Aún no entendemos completamente el origen de esta sorprendente similitud, pero creemos que podría estar relacionado con las constantes físicas fundamentales que establecen el límite inferior universal de viscosidad tanto para los líquidos ordinarios como para el plasma de quark-gluones".

"Este estudio proporciona un ejemplo bastante raro y agradable de dónde podemos establecer comparaciones cuantitativas entre sistemas enormemente dispares, "prosigue el profesor Matteo Baggioli de la Universidad Autónoma de Madrid." Los líquidos se describen por hidrodinámica, lo que nos deja con muchos problemas abiertos que actualmente están a la vanguardia de la investigación en física. Nuestro resultado muestra el poder de la física para traducir principios generales en predicciones específicas sobre propiedades complejas como el flujo de líquido en tipos exóticos de materia como el plasma de quark-gluón ".

Comprender el plasma de quark-gluones y su flujo está actualmente a la vanguardia de la física de altas energías. Las fuerzas fuertes entre quarks y gluones se describen mediante cromodinámica cuántica, una de las teorías físicas más completas que existen. Sin embargo, mientras que la cromodinámica cuántica proporciona una teoría de la fuerza nuclear fuerte, Es muy difícil resolver y comprender las propiedades del plasma de quarks-gluones solo con esto.

"Es concebible que el resultado actual pueda proporcionarnos una mejor comprensión del plasma de quark-gluón, ", agregó el profesor Vadim Brazhkin de la Academia de Ciencias de Rusia." La razón es que la viscosidad en los líquidos en su mínimo corresponde a un régimen muy particular de dinámica de líquidos que entendimos recientemente. La similitud con el QGP sugiere que las partículas en este sistema exótico se mueven de la misma manera que en el agua del grifo ".