Observación del flujo partónico en colisiones protón—protón y protón—núcleo

Por qué importan los choques diminutos

Momentos después del Big Bang, el universo estaba lleno de una sopa caliente y densa donde quarks y gluones se movían libremente en lugar de estar recluidos dentro de protones y neutrones. Los físicos pueden recrear brevemente este exótico “plasma de quarks y gluones” haciendo chocar núcleos atómicos pesados a casi la velocidad de la luz. El nuevo estudio del experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN plantea una pregunta sorprendente con grandes implicaciones: ¿puede este mismo estado de materia ultracaliente y fluido formarse también en colisiones mucho más pequeñas, cuando solo protones se golpean entre sí o contra un solo núcleo pesado?

De grandes bolas de fuego a gotitas diminutas

En colisiones de núcleos grandes como plomo–plomo, la región de solapamiento donde chocan no es perfectamente redonda. Esa forma desigual crea presiones distintas dentro de la bola de fuego, de forma que la materia creada en el choque tiende a fluir con más intensidad en una dirección del plano de colisión. Este “empuje colectivo” desigual se manifiesta como un mayor número de partículas que emergen en ciertos ángulos en lugar de distribuirse uniformemente en todas direcciones. En las últimas dos décadas, mediciones detalladas de estos patrones angulares han dibujado una imagen consistente: el plasma de quarks y gluones formado en colisiones grandes se comporta como un líquido casi perfecto, con fricción extremadamente baja.

Un flujo desconcertante en sistemas pequeños

Se pensaba durante mucho tiempo que las colisiones protón–protón y protón–núcleo eran demasiado pequeñas y efímeras para formar un estado parecido a un líquido. Se utilizaban principalmente como referencia limpia para ayudar a interpretar los datos más complejos de iones pesados. Sin embargo, experimentos en el LHC y en RHIC comenzaron a revelar indicios de comportamiento colectivo incluso en estos sistemas pequeños: vetas largas en forma de cresta de partículas correlacionadas que se extienden en amplios rangos angulares, y patrones de flujo dependientes de la masa que se parecían inquietantemente a los observados en núcleos grandes. Esto desató un debate intenso. ¿Producen las colisiones diminutas también un líquido en miniatura de quarks y gluones, o pueden explicarse estos patrones puramente por la disposición de los gluones en los protones entrantes antes del choque?

Siguiendo el flujo desde quarks hasta hadrones

El nuevo estudio de ALICE aborda este enigma centrándose en una señal particularmente reveladora: cómo difiere el flujo entre dos familias amplias de partículas, bariones y mesones. Los bariones (como protones y lambdas) están formados por tres quarks, mientras que los mesones (como piones y kaones) contienen un quark y un antiquark. En colisiones grandes de iones pesados aparece un patrón inequívoco a momentos transversos intermedios: todos los bariones tienden a seguir una misma curva de flujo, y todos los mesones otra, con los bariones fluyendo con mayor intensidad. Esta “agrupación barión–mesón” se explica de forma natural si, justo antes de que se formen las partículas ordinarias, los quarks que ya se mueven colectivamente en el líquido simplemente se combinan: de dos en dos para formar mesones, y de tres en tres para formar bariones. El nuevo trabajo mide este efecto con gran detalle para muchos tipos de partículas identificadas en colisiones protón–protón y protón–plomo de alta multiplicidad.

Lo que revelan las medidas

Utilizando la capacidad del detector ALICE para distinguir diferentes especies de partículas, el equipo extrajo valores precisos del flujo en función del momento para piones, kaones, protones, kaones neutros y lambdas. Prestaron especial atención a eliminar los efectos de “no flujo”: correlaciones de corto alcance procedentes de decaimientos de partículas y chorros que pueden imitar un comportamiento colectivo, correlacionando partículas separadas por grandes ángulos y utilizando ajustes de plantilla sofisticados. Los datos resultantes muestran tres rasgos clave que reflejan los observados en colisiones grandes de iones pesados: a bajos momentos, las partículas más pesadas fluyen menos que las más ligeras (una señal característica de un fluido en expansión); alrededor de unos pocos miles de millones de electronvoltios de momento transversal, las diferentes curvas de partículas se cruzan; y a valores mayores, los bariones exhiben de forma consistente un flujo más intenso que los mesones, con la separación destacándose claramente más allá de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas.

Poniendo a prueba los marcos teóricos

Para interpretar estos patrones, los autores comparan los datos con modelos computacionales avanzados. Un modelo híbrido que combina la evolución de tipo fluido de un medio de quarks y gluones con la formación de hadrones mediante coalescencia de quarks —e incluye contribuciones adicionales de chorros de alta energía— reproduce tanto el tamaño global del flujo como la agrupación distintiva de bariones y mesones en sistemas pequeños. En contraste, versiones del modelo que carecen de coalescencia de quarks, o que se basan únicamente en reescattering hadrónico o en correlaciones iniciales de gluones, no logran captar la separación observada entre bariones y mesones. Otros enfoques populares consiguen imitar algunos aspectos, como el ordenamiento por masa a bajo momento, pero aun así no pueden generar el patrón de flujo completo que muestran los datos.

Lo que significa para nuestra visión de la materia

En conjunto, las medidas y las comparaciones con modelos apuntan con fuerza a la presencia de una etapa genuina de quarks y gluones en flujo incluso en las colisiones más pequeñas y violentas de protón–protón y protón–núcleo —aunque por un instante fugaz y en un volumen diminuto. En términos corrientes, los resultados sugieren que bajo condiciones extremas, la materia compuesta por quarks y gluones tiende a comportarse como un líquido, independientemente de si se origina a partir de dos núcleos enormes o de apenas un puñado de protones. Esto empuja la frontera de cuán pequeña puede ser una gota de este fluido primordial, y profundiza nuestra comprensión de cómo se mueven e interactúan los bloques fundamentales de la materia en los entornos más extremos que el laboratorio puede crear.

Cita: The ALICE Collaboration. Observation of partonic flow in proton—proton and proton—nucleus collisions. Nat Commun 17, 2585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67795-1

Palabras clave: plasma de quarks y gluones, sistemas de colisión pequeños, flujo colectivo, coalescencia de quarks, experimento ALICE