No todos los días los científicos reducen la incertidumbre en una constante fundamental de la naturaleza de un 30% a un 1,5%, pero un grupo de físicos teóricos afirman haber hecho justo eso. Usando supercomputadores y simulaciones asombrosamente complejas, los investigadores calcularon la masa de partículas conocidas como quarks “up” (arriba) y “down” (abajo) que forman los protones y neutrones con 20 veces más precisión que el estándar anterior. Las nuevas cifras podrían ser un impulso para los teóricos que tratan de descifrar las colisiones de partículas en impactadores de átomos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) europeo o que intentan desarrollar teorías más profundas sobre la estructura de la materia.
“Es una afirmación osada, y tendremos que estudiarla con detalle, pero creo que los resultados son robustos”, dice Paul Mackenzie, teórico del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Batavia, Illinois, que no estuvo implicado en el trabajo.
Los científicos han sabido desde 1968 que los protones y neutrones contenían quarks unidos entre sí por la conocida como fuerza nuclear fuerte. No obstante, los experimentadores nunca han sido capaces de medir las masas de estos quarks de forma directa, y los teóricos no han sido capaces de calcularla con gran precisión. La razón para el impás es simple: Los quarks se sostienen unos sobre otros tan estrechamente que es imposible aislarlos y estudiarlos por sí mismos. “No puedes poner un quark en una balanza y decir ‘Tiene tal masa’”, dice Christine Davies, teórica de la Universidad de Glasgow en el Reino Unido.
Para empeorar las cosas, las partículas hechas de quarks son notablemente complejas. Se puede decir que un protón consta de dos quarks up y uno down que se mantienen unidos intercambiando gluones. (Un neutrón consta de dos quarks down y uno up). En realidad, los propios gluones intercambian gluones. Y miríadas de pares quark-antiquark aparecen y desaparecen. Por lo que el protón es en realidad una molesta infinidad de quarks y gluones en el que los tres quarks de “valencia” originales, que determinan la identidad del protón, forman menos de un 2% de la masa. Los quarks también aparecen en cuatro tipos más pesados o “sabores” — strange (extraño), charm (encantado), bottom (fondo), y top (cima) — por lo que los teóricos no pueden analizar una partícula como el protón en aislamiento. En lugar de esto, deben explicar simultáneamente las propiedades de toda una familia de partículas relacionadas, tales como la Λ, que consiste en un quark up, uno down y uno strange.
No obstante, en los últimos años, los físicos han hecho grandes progresos al calcular las propiedades de las partículas hechas de quarks, a las que se conoce colectivamente como hadrones. Una aproximación clave es simular las partículas usando una red de cromodinamica cuántica o red QCD. En estas simulaciones, los investigadores modelan el espacio continuo dentro de un hadrón como una parrila de puntos llamados red. También imaginan que el tiempo pasa de forma discreta, y todo esto hace que las matemáticas sean mucho más fáciles. Los investigadores colocan los quarks y gluones en los puntos de la red y usan supercomputadores para simular sus interacciones con espaciados cada vez menores para aproximar al hadrón real. En noviembre de 2008, un equipo distinto de teóricos usó una red QCD para calcular con gran precisión las masas del protón, neutrón y otras tres partículas de quark.
Ahora, Davies y sus colegas básicamente han dado la vuelta al proceso y usan la red QCD para calcular las masas del quark up y down. Las masas de los quarks aislados sirven como entrada que son ajustadas al valor apropiado durante el cálculo de las propiedades del hadrón. Parece que los físicos simplemente podrían calcular unos valores y decir que el problema está resuelto, pero es algo más complejo. Los valores exactos de las masas de los quarks dependen de los métodos matemáticos usandos en la simulación. Además, cada masa de quark aparece con una incertidumbre notable. Davies y sus colegas han encontrado una forma de solventar tales problemas. En lugar de calcular la masa de cada tipo de quark independientemente, calcular las proporciones de esas masas.
Específicamente, calcularon la propoción de masa del quark charm a la del quark strange. Combinaron estos cálculos con otros procedentes de otro grupo de proporciones de masa de quark strange a quarks up y para el quark down. Esas proporciones aparecen con incertidumbres mucho menores, explica G. Peter Lepage, miembro del equipo de la Universidad de Cornell. Y pueden combinarse con el valor ya conocido de la masa del quark charm — que es más fácil de determinar debido a que es unas 500 veces más grande — para obtener por fin las masas de los quarks más ligeros, como señalan los investigadores esta semana en la revista
Physical Review Letters. El equipo encontró que un quark up pesa 2,01 +/- 0,14 megaelectrón-voltios, mientras que un quark down pesa 4,79 +/- 0,16 MeV. Esto es 0,214% y 0,510% de la masa del protón, respectivamente.
Conocer las masas de los quarks ligeros es “absolutamente esencial para muchas cosas”, dice Mackenzie. Esas masas ayudan a predecir qué aspecto tendrían las colisiones de partículas del LHC y otros de acuerdo con el ‘modelo estándar’ teórico”. A su vez, esos cálculos son claves para observar discrepancias que podrían apuntar a nuevas partículas o fenómenos, comenta. Es más, mientras que el modelo estándar trata las masas de los quarks como arbitrarias, los físicos esperan desarrollar teorías más profundas que puedan explicar, por ejemplo, por qué tienen los valores que tienen. Las masas de los quarks proporcionarían un importante banco de pruebas para tal esfuerzo, señala Mackenzie.
Aún así, Norman Christ, teórico de la Universidad de Columbia, dice que Davies y sus colegas hacer ciertas suposiciones y aproximaciones en sus cálculos que tienen que ser comprobadas. “Quieres que se confirme por medios independientes, con suerte por un grupo competidor que intenta demostrar que este grupo está equivocado y que se ve arrastrado a admitir que sus resultados concuerdan”.
Autor: Adrian Cho
Fecha Original: 2 de abril de 2010
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