Explorando el pegamento universal

Nuestro universo visible está construido principalmente de pegamento, lo que genera aproximadamente el 98 por ciento de la masa visible. Ahora, se está preparando un experimento a fin de estudiar las novedosas manifestaciones de ese pegamento.

Para la mayoría de nosotros, el pegamento es un simple agente de unión que usamos para pegar cosas. Pero en el corazón de la materia, el pegamento desempeña un papel mucho más grande y activo.

Conforme nos acercamos al centro del átomo, lo primero que encontramos es una densa región de protones y neutrones. Si ampliamos la imagen un poco más, descubrimos que estos protones y neutrones están formados por partículas aún más pequeñas, los quarks, que están pegados por unas partículas llamadas gluones. Los campos de estos gluones unen a los quarks conforme los quarks van intercambiando gluones.

Los gluones también generan masa. En el protón, por ejemplo, los quarks representan poco menos de un pequeño porcentaje de la masa total. El resto, conjeturan los físicos, debe provenir de la acumulación de campos gluónicos alrededor de los quarks en el protón.

Este pegamento universal es la manifestación de la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas de nuestro universo, aparte de la gravedad, elelectromagnetismo y la fuerza débil. De las cuatro fuerzas, es la más complicada y tal vez la menos comprendido.

Antes de que los científicos puedan obtener una comprensión más completa de la materia visible de nuestro universo, la materia que compone los 7 mil millones de personas de la Tierra, las estrellas del cielo, y la tierra bajo nuestros pies, ellos necesitarán acabar de comprender este pegamento universal que nace de la fuerza fuerte. Un nuevo experimento en el Laboratorio Jefferson pretende hacer precisamente eso.

De la materia y el pegamento

Además de explicar la relativamente gran masa del protón, la comprensión de la fuerza fuerte ayudará a responder a una suerte de otros misterios de la física de partículas.

El espín del protón, por ejemplo, no puede ser explicado solamente por sus quarks constituyentes, los cuales contribuyen a menos de un tercio del valor final. Ésta y otras propiedades, parecen provenir de los componentes no-quarks del protón: el material que surge del pegamento.

Este material es descrito por la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría matemática que describe la fuerza fuerte. La QCD dibuja cómo interactúan los quarks y los gluones, contando con el hecho de que los quarks y los gluones no son los bloques de construcción, como ladrillos y cemento, sino las partes móviles y dinámicas.

En la QCD, el protón está hecho de un revuelto mar de quarks y pegamento. Los quarks están rodeados por la energía de la fuerza fuerte. Este campo de energía constriñe en burbujas a los gluones, así como a la materia en la forma de transitorios quarks, que forman y casi instantáneamente se disuelven de nuevo en pegamento. Popularmente se cree que el mar de quarks y gluones dan lugar a las propiedades de los protones, que no pueden ser explicados solamente por los quarks.

Es más, la fuerza fuerte es tan fuerte que no deja que ni un solo quark vaya por su cuenta. Cuando los científicos han logrado que un único quark se aleje de los demás a la minúscula anchura de un protón, descubren las 18 toneladas de fuerza fuerte que conectan al quark con sus compañeros. Tirando más duro para poder liberar al quark, todavía la fuerza fuerte no permitirá que el quark se salga por sí mismo, lo que hace es generar un par para ese quark que se aleja. Esta incapacidad para liberar un quark individual se llama confinamiento, y es el gran misterio de la fuerza fuerte.

“Los quarks no son libres”, decía Jozef Dudek, un físico teórico en la Universidad Old Dominion y del Jefferson Lab. “Y el problema es que con la QCD en la mano no entendemos precisión por qué es así. Realmente no podemos demostrar por qué funciona así. Así que tenemos dos tipos de enfoques para eso.

“Uno es de hacer más trabajo más teórico, por supuesto, y el otro es una pregunta, ¿hay algo que podamos hacer experimentalmente que pueda darnos una pista sobre los confines de la QCD?”

Con la esperanza de responder a esta cuestión, los científicos han recurrido a unos experimentos llevados a cabo con los aceleradores de partículas.

En el corazón de la materia

En los experimentos realizados con aceleradores es de donde vienen gran parte de nuestro conocimiento de la QCD. Los aceleradores proporcionan a los científicos poderosas pruebas, que permiten la exploración de la estructura de una partícula, el desgarramiento de la materia ordinaria capaz de producir partículas y estados extraños de la materia. Estos experimentos revelaron que los quarks de dentro de los protones y neutrones, iluminan otras partículas basadas en los quarks, ofreciendo atisbos de las fuerzas que moderan las partículas, y producen estados de la materia que no se ven en el universo desde poco después del Big Bang, y más recientemente, en la más enérgica máquina en funcionamiento de hoy día, el Large Hadron Collider, asentó el bosón de Higgs.

Pero no es sólo la fuerza bruta lo que revela el corazón de la materia: Menos enérgico, los aceleradores de alta luminosidad proporcionan altos índices de colisiones de partículas para su estudio, también pueden ofrecer una ventana a las partículas y fuerzas que dan forma a nuestro universo.

Nuevas herramientas para explorar el pegamento

El Acelerador de Haz de Electrones Continuo del Jefferson Lab ha sido siempre conocido por sus estudios de precisión. La actualización ya está en marcha para ampliar la precisión del Acelerador a energías superiores.

La actualización incrementará el alcance experimental del acelerador por duplicación de la energía máxima de su haz de electrones desde 6 mil millones a 12 mil millones electron-voltios, reduciendo a la mitad la longitud de onda de la sonda de electrones. Esto duplicará el alcance de las instalaciones en el corazón de la materia, sin comprometer su alta luminosidad y su gran precisión estadística.

Para explorar el pegamento de la fuerza fuerte, los científicos lanzarán los electrones de alta energía en una delgada franja de diamante de alrededor de un quinto del grosor de un cabello humano. Algunos de los electrones desvergirán por la estructura cristalina del diamante, que emitiendo rayos gamma que cerrarán la longitud al tamaño de un campo de fútbol de la nueva construcción Hall D del Jefferson Lab. Allí pasará a través de un agujero del tamaño de un grano de arroz y chocará contra el objetivo, un tubo de vidrio lleno de hidrógeno.

“El fotón interactúa con algunos quarks dentro de un protón en el hidrógeno. Lo impacta duramente y ese quark entonces, en cierto sentido, es expulsado del protón, aunque en realidad no puede ser expulsado del protón debido a la fuerza de confinamiento”, explica Curtis Meyer, profesor en Carnegie Mellon y portavoz de un nuevo experimento en el Hall D, llamado GlueX. “Por lo tanto, se acaba por crear un par quark-antiquark.”

El equipo GlueX buscará inusuales pares quark-antiquark que estén unidos entre sí por una especie de pegamento modificado.

“Dentro de la QCD, hay un número que indica la intensidad que los quarks emparejan a gluones, y la gran fuerza con la que los gluones se adhieren a los demás”, señala Dudek.

En esta búsqueda de pares quark-antiquark, donde el campo gluónico está excitado de alguna forma –haciendo algo más que pegar pasivamente los quarks–, la colaboración GlueX espera descubrir una nueva visión de las acciones de los gluones.

“La idea global es que ya se ha producido, básicamente, un espectro de partículas donde se ha excitado el pegamento que los une”, dice Meyer. “Por lo tanto, esto nos da información sobre el campo que está uniendo a estos quarks y antiquarks.”

Uniendolo todo

De los aproximadamente 20.000 eventos potencialmente interesantes que se esperan cada segundo, el experimento GlueX registrará unos 2 gigabytes de datos. El equipo experimental extraerá este conjunto de datos cada vez mayor, de pares de quark-antiquark unidos por inusuales campos gluónico. Los investigadores medirán las masas de las partículas, puesto que la masa se relaciona con la energía almacenada en el pegamento excitado.

“La colaboración GlueX está encantada de estar tan cerca del centro de la física a tan sólo dos años desde ahora”, dice Meyer. “El camino a la ciencia con GlueX ha entrado en su recta final, ya que la construcción de las transiciones experimentales en una instalación y puesta en marcha. Esto ha dado lugar a una gran afluencia de estudiantes de doctorado y al aumento correspondiente de la discusión científica que lograremos llevar a cabo.”

En resumen, es un momento emocionante. Los investigadores ahora están montando los equipos necesarios para realizar este experimento. Con los primeros datos esperamos una mejor comprensión del pegamento que afecta a toda la materia visible del universo, que deberá comenzar a funcionar en 2015.

ANEXO – Más allá de GlueX

Si bien no es poco común en la física nuclear y de partículas, construir una instalación para un solo experimento, los investigadores ya están viendo un futuro para el Hall D después del GlueX. Ya se ha reservado un espacio en la instalación para un sistema de identificación de partículas adicional que ayudará a los investigadores a entender los mesones de quarks lumínicos, que son partículas que se basan en las combinaciones de arriba y abajo o de extraños quarks y antiquarks. Otro experimento estudiará específicamente el mesón eta, un mesón que contiene todos esos quarks ligeros con más detalle. Hay experimentos adicionales que están actualmente en discusión.

Meyer dice que él y sus colegas están a la espera de utilizarlo para un sistema de detección único que proporcione una mejor comprensión de los mecanismos internos de las partículas que construyen nuestro universo visible. Ellos dan la bienvenida a las ideas para futuras investigaciones.

- Imagen 1) ilustración anónima – Imagen 3) Ilustración quark up-down y gluón, de Scientific American.
- Imagen 2) Ilustración: Sandbox Studio, Chicago