Partículas giratorias ‘increíbles’ sondean la fuerza más misteriosa de la naturaleza

La fuerza fuerte es un enigma. A través de los gluones, une los quarks, uno de los dos componentes básicos de la materia, en protones y neutrones en el centro de cada átomo. Fiel a su nombre, es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, pero solo ejerce su poder a través de distancias subatómicas. A pesar de su poder e importancia, la fuerza fuerte es la fuerza más difícil de observar en acción y su comportamiento es casi imposible de predecir matemáticamente.

Ahora, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Long Island ha captado un mirada fresca e inesperada de la fuerza fuerte en acción, tan inesperado que los teóricos han inventado nuevos modelos para explicarlo. Si los teóricos tienen razón, este experimento es la primera medida de cómo fluctúa el fuerte campo de fuerza en distancias cortas. Los resultados se publicaron el 18 de enero en Naturaleza.

«Esta fluctuación local del campo de fuerza fuerte, no creemos que se haya medido antes», dice Tang de Aihong, uno de los físicos de Brookhaven que realizó el nuevo estudio. Permitirá a los científicos “estudiar la fuerza fuerte desde una perspectiva diferente”.

En la búsqueda de observar la fuerza fuerte, los países de todo el mundo han invertido miles de millones de dólares en aceleradores de partículas que rompen los átomos en colisiones de fuego. Aquí, los quarks y los gluones se liberan durante pequeñas fracciones de segundo en una sopa de plasma arremolinada, luego se recombinan en partículas nuevas, rara vez vistas, a medida que la bola de fuego se enfría.

Una de estas partículas extrañas, llamada el mesón phi, se encuentra en el corazón de estos últimos resultados desconcertantes. A diferencia de los protones y los neutrones, que están hechos de tres quarks, los mesones están hechos de un quark y un antiquark. Los quarks vienen en seis «sabores» diferentes, y el mesón phi está formado por un par quark-antiquark con el mismo sabor, llamado extraño.

Los científicos querían saber si, en el instante posterior a la colisión, el impulso giratorio de la sopa de quarks y gluones podía hacer que los mesones phi giraran junto con ella, como una pelota de playa en un remolino. Este efecto, llamado polarización de espín, no era un hecho, pero se había visto en otras partículas exóticas. Los investigadores esperaban que medir si las partículas se acoplaban con los quarks y gluones, y cómo, proporcionaría una visión sin igual de cómo la fuerza fuerte ensambla la materia visible que nos rodea.

Esta tarea no es tarea fácil, ya que requiere un software automatizado (y científicos de vista aguda) para identificar los mesones phi de miles de nuevas partículas que se producen en cada colisión. «Es como dos camiones de basura chocando entre sí, y luego toda la basura sale volando, y quieres ver una manzana y un plátano volando en dos direcciones diferentes», dice Karl Slifer, un físico nuclear de la Universidad de New Hampshire, que no participó en el nuevo experimento. «Es solo una gran cantidad de información para examinar».

Después de encontrar a su escurridiza presa, los científicos vieron algo totalmente inesperado. De hecho, los mesones phi estaban girando junto con la sopa de quarks y gluones, pero de formas muy alejadas de las predicciones teóricas.

Así es como funcionan esas predicciones: los mesones Phi pueden girar en una de tres direcciones. Si su giro no se viera afectado por ese remolino de partículas, entonces cada una de esas direcciones de giro sería igualmente común, cada una de las cuales se manifestaría alrededor de un tercio del tiempo. Incluso una pequeña desviación de esas probabilidades de un tercio indicaría que el giro del mesón phi había sido influenciado por el impulso circular a su alrededor.

Lo que los investigadores vieron en cambio fue una desviación masiva de la probabilidad de un tercio, 1000 veces más grande de lo que podrían explicar los modelos convencionales. Las variables habituales, como la interferencia que altera el espín de los campos electromagnéticos, simplemente no podían explicar una diferencia tan grande. El equipo anunció sus resultados preliminares en 2017, para desconcierto de los teóricos.

“Realmente nos rascábamos la cabeza y decíamos: ‘¿Qué está pasando?’”, dice Xin-Nian Wang, un físico teórico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California, que no participó en los experimentos iniciales de Brookhaven pero ayudó a revisar los artículos que informan los resultados. “No les creí en ese momento: ‘No, esto es increíble; esto es demasiado grande’”, recuerda.

Pero el igualmente escéptico equipo de Brookhaven realizó el análisis una y otra vez, llegando cada vez al mismo resultado aparentemente imposible. “Y luego nos dimos cuenta de que podría ser algo que nosotros, como teóricos, no entendíamos”, dice Wang.

Los teóricos se habían perdido algo importante: los campos electromagnéticos pueden no ser lo suficientemente fuertes como para afectar el giro de los mesones phi, pero ¿qué pasa con los campos generados por la fuerza fuerte? Los campos son creados por partículas cargadas en movimiento. Así como los campos electromagnéticos surgen del movimiento de electrones, los campos fuertes surgen del movimiento de quarks y gluones. Los modelos preexistentes esencialmente ignoraban la posibilidad de campos fuertes porque sus efectos normalmente serían irrelevantes. Incluso a través de distancias subatómicas típicas, los movimientos aleatorios de quarks y gluones que crearían tales campos se cancelarían, lo que no tendría ningún efecto en el sistema en general.

Pero en escalas súper diminutas, piense en distancias más pequeñas que el lapso infinitesimal de un protón, los detalles acumulativos de todos esos movimientos aleatorios pueden realmente importar. Esto es lo que Wang y sus colegas han propuesto en un estudio preliminar reciente: el movimiento de los propios mesones phi crea un fuerte campo de fuerza cuyas minúsculas fluctuaciones afectan la polarización del espín de los mesones.

“No existe otra teoría que pueda explicar las medidas”, dice Bedangadas Mohantyuno de los investigadores involucrados en el experimento de Brookhaven y físico del Instituto Nacional de Educación e Investigación Científica de la India.

Si esta idea es correcta, los experimentos de Brookhaven representan la primera vez que los físicos observan tales fluctuaciones en el campo de fuerza fuerte. “Esto es completamente nuevo. Creo que las consecuencias probablemente sean de largo alcance”, dice Wang.

Para empezar, «te da mucha, mucha más información» sobre lo que está sucediendo con las interacciones fuertes en la bola de fuego de quarks y gluones, dice QunWang, físico teórico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y uno de los coautores de Xin-Nian Wang en el reciente artículo preliminar. Comprender esas interacciones es, en la mayoría de los aspectos, el objetivo más urgente de los experimentos actuales con aceleradores de partículas.

Para probar la nueva hipótesis, los científicos de Brookhaven planean recrear su experimento con un mesón diferente, llamado mesón J/psi, que está hecho de un par quark-antiquark de un favor diferente. Si los mesones phi pueden sumarse al fuerte campo de fuerza, sus primos también deberían hacerlo, y las polarizaciones de espín de los mesones J/psi deberían verse afectadas de manera similar por las fluctuaciones resultantes.

A pesar de tratar con la física subatómica, tal trabajo no sería poca cosa. Rastrear los movimientos más pequeños de partículas efímeras en un vórtice de plasma de un billón de grados Celsius es similar a reconstruir la vela más breve y brillante solo con cenizas. “Debes apreciar el desafío”, dice Mohanty. Que alguien lo intente atestigua las verdades fundamentales que puede traer a nuestro alcance: una mejor visión de la fuerza que literalmente nos une a todos.