QuarkBits
Un blog colectivo sobre quarks, superordenadores y (des)confinamiento, de los investigadores de la Red Europea EuroPLEx.
Carlos Pena (Instituto de Física Teórica UAM-CSIC de Madrid)
¿Quiere experimentar los efectos de las fluctuaciones cuánticas del vacío más violentas del Universo? Basta subirse a una báscula.
[Wikimedia Commons/S13mashina]
Como ya sospecharon Leucipo y Demócrito, el cuerpo del lector, y todo lo demás que nos rodea, está constituido por entidades submicroscópicas que nos resultan familiares: los átomos. Pero estos átomos, de los que apenas si existen diez docenas de tipos distintos (los elementos químicos), no son las entidades indivisibles que su etimología querría. En una carrera fascinante que duró menos de un siglo, entre finales del XIX y los años 80 del siglo pasado, la Física pasó de constatar la existencia de los átomos a desgranar su estructura, en la que una coraza de electrones orbita cuánticamente alrededor de un minúsculo núcleo de protones y neutrones; y, más tarde, a penetrar en el interior mismo del núcleo, para hallar, en el corazón de la materia, un mundo complejo y violento dominado por las interacciones nucleares débil y fuerte.
La interacción nuclear fuerte, la más poderosa de las conocidas, es la responsable de que las entidades subnucleares, los quarks y los gluones, formen protones y neutrones, y de que estos últimos bailen la elaborada danza responsable de la estabilidad del núcleo atómico. Las propiedades de la interacción fuerte son tan ajenas a nuestra intuición que estudiarlas se convierte en un viaje a una realidad alternativa, la fascinante exploración de un mundo en el espejo que no es otro que nuestro mismo universo, visto con ojos del tamaño de un femtómetro.
La primera propiedad que nos sorprende es su brutal intensidad. En nuestro mundo medido en metros o kilómetros, estamos familiarizados con que los objetos posean masa, lo que conlleva su caída hacia otros objetos masivos (como el planeta sobre el que vivimos). También estamos familiarizados con el electromagnetismo, una fuerza mucho más poderosa que la gravedad: las interacciones electromagnéticas mantienen los átomos unidos entre sí, y permiten que la pequeña presión de nuestros dedos sobre un lápiz, o la tensión de un cable de acero que levanta un coche, basten para vencer la atracción gravitatoria de un planeta de seis cuatrillones de kilogramos. Los quarks poseen masa y carga eléctrica, pero también una tercera propiedad que los somete a la interacción fuerte: la carga de color. Y la fuerza de unión entre dos cargas de color tiene una magnitud muy similar a que ejerce la tensión del cable de acero que levanta el coche… solo que concentrada en un tamaño diez billones de veces menor.
La segunda propiedad es conocida como Libertad Asintótica: la fuerza entre quarks es muy pequeña cuando están muy próximos (a menos de unas décimas de femtómetro), pero se vuelve constante para distancias mayores, como si una fortísima cuerda formada por gluones, las partículas mediadoras de la interacción fuerte, los mantuviera unidos. Como, por otra parte, la masa de los quarks (proporcionada gentilmente por el mecanismo de Higgs) es minúscula, se mueven a velocidades próximas a la de la luz, entre violentos tirones de los gluones sin masa que los unen; y como los gluones también tienen carga de color, interactúan a su vez entre sí, en un complejísimo proceso en el que quarks y gluones virtuales aparecen y desaparecen en el vacío cuántico en tiempos infinitesimales. La energía almacenada en estas interacciones es cien veces mayor que la que corresponde a las masas en reposo de los dos quarks up y un down que forman la base estructural del protón (uno y dos, respectivamente, para el neutrón); y, de hecho, es el origen de la inmensa mayoría de la masa de los átomos, que es precisamente lo que mide la báscula del lector.
Por otra parte, este maremágnum de partículas no está desorganizado: las propiedades de la interacción fuerte requieren que los colores de todos los constituyentes se equilibren, y que el resultado sea un estado cuántico sin color. De hecho, la libertad asintótica tiene un reverso tenebroso: si se intentara separar dos quarks a distancias mayores que el tamaño de un protón la energía de interacción aumentaría tanto que se vuelve energéticamente favorable la creación de una pareja de quark y antiquark en el vacío cuántico, que inmediatamente se unirán a los preexistentes. La imposibilidad de aislar cargas de color, al menos de manera similar a la posibilidad de alejar mucho entre sí dos masas o dos cargas eléctricas, es llamada confinamiento (terminología muy a tono con los tiempos del COVID-19). Entender los detalles de la compleja estructura interna de los protones es crucial para poder realizar experimentos en física de altas energías, como, por ejemplo, los del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
Ya, pero ¿qué ocurre en un medio extremadamente caliente y denso, como el Universo primitivo, o el resultado de hacer chocar dos núcleos atómicos pesados a una velocidad apenas inferior que la de la luz? ¿No fundirán esas enormes temperaturas las estructuras de quarks y gluones? De hecho, lo hacen, como demuestran indirectamente las propiedades medidas en las reliquias del Big Bang, y directamente los experimentos del Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) y el LHC: a temperaturas mayores que unos tres billones de grados, los quarks y los gluones sufren (o más bien disfrutan) el desconfinamiento, y se organizan en un nuevo estado de la materia, para el que a menudo se usa el nombre aproximativo plasma de quarks y gluones. Decimos “aproximativo” porque aún no lo conocemos del todo bien: poco por encima de la temperatura de transición el medio formado parece comportarse como un fluido ideal, el que tiene menos viscosidad de todos los conocidos; y sus propiedades en presencia de una alta densidad de materia son aún misteriosas.
La instalación MareNostrum 4 en el Centro de Supercomputación de Barcelona.
[Wikimedia Commons/Gemmaribasmaspoch]
Para realizar este viaje al centro del núcleo atómico disponemos de dos herramientas principales: los experimentos, y una teoría fundamental de la interacción fuerte, parte del Modelo Estándar de la Física de Partículas. La llamada Cromodinámica Cuántica, o QCD por sus siglas en inglés. Desde que fue formulada a principios de los años 1970, QCD se ha convertido no solo en una de las piedras angulares de la tremenda precisión con la que podemos describir el mundo de las partículas elementales, sino también en un paradigma para prácticamente todas las propiedades interesantes que pueden aparecer en un sistema físico microscópico. Junto a la libertad asintótica y el confinamiento, otros muchos fenómenos, desde la rotura espontánea de simetrías hasta la aparición de anomalías cuánticas en las propiedades de interacción, se manifiestan en la física de la interacción fuerte, y tienen un papel importante en nuestra comprensión de la física fundamental. Entender estos fenómenos, cualitativa y cuantitativamente, con sumo nivel de detalle es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la Física Teórica actual: no solo por motivos de principio, sino porque, sin cálculos suficientemente precisos de las interacciones de color, sería imposible llevar adelante casi todos los programas experimentales en curso.
Y es ahí donde la tremenda intensidad de la interacción nos juega una mala pasada: no es fácil calcular en QCD. Las técnicas analíticas que se aplican a otras interacciones subatómicas (el electromagnetismo y las fuerzas débiles) se basan precisamente en su relativa debilidad, y en el caso de quarks y gluones solo son aplicables a colisiones de muy alta energía. Para comprender la estructura del protón, la dinámica del confinamiento, o la naturaleza del plasma de quarks y gluones es necesario recurrir a la formulación de la teoría en un espacio-tiempo discretizado, un procedimiento conocido como QCD en la red o Lattice QCD. Esto permite atacar el problema realizando complejísimos cálculos numéricos, que consumen una buena parte de las capacidades de las instalaciones de supercomputación de todo el mundo. Numerosos grupos de altísimo nivel compiten en la carrera por realizar los cálculos de apoyo necesario para los experimentos en curso, o para comprobar si las contribuciones de la interacción fuerte permiten explicar (o no) hallazgos sorprendentes.
En este fascinante campo de investigación, en el que se cruzan la Física Teórica, los experimentos punteros en Física Fundamental, y las técnicas de supercomputación más avanzadas, se desarrolla la actividad de la Red Europea de Física de Partículas, Teoría de Campos en la Red y Computación Extrema (EuroPLEx). En este blog, los jóvenes investigadores de la Red hablarán de sus temas de trabajo, de las perspectivas futuras del campo, y de cómo se vive la carrera investigadora desde dentro. Pónganse cómodos, tengan a mano su báscula, y prepárense para un periplo cautivador por los rincones más diminutos y los escenarios más grandiosos del Universo.
Este post fue publicado originalmente en blog QuarkBits por SciLogs-Blogs de ciencia de Investigación y Ciencia.