El poder de la fuerza extrema

Crédito: Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson

Se creó mucho ruido sobre el bosón de Higgs cuando se descubrió esta esquiva partícula en 2012. Aunque se promocionó como dando masa de materia ordinaria, las interacciones con el campo de Higgs generan solo alrededor del 1 por ciento de la masa ordinaria. El otro 99 por ciento proviene de fenómenos relacionados con la fuerza fuerte, la fuerza fundamental que une partículas más pequeñas llamadas quarks a partículas más grandes llamadas protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos de la materia ordinaria.

Ahora, los investigadores de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. han extraído experimentalmente la fuerza de la fuerza fuerte, una cantidad que apoya fuertemente las teorías que explican cómo se forma la mayor parte de la masa o materia ordinaria en el universo.

Esta cantidad, conocida como acoplamiento de fuerza extrema, describe cuán fuertemente interactúan dos cuerpos o “pares” bajo esta fuerza. El acoplamiento de fuerza fuerte varía con la distancia entre las partículas afectadas por la fuerza. Antes de esta investigación, las teorías diferían sobre cómo funcionaba el acoplamiento de fuerzas fuertes en una gran distancia: algunas predijeron que debería crecer con la distancia, otras deberían disminuir y otras deberían volverse constantes.

Usando datos de Jefferson Lab, los físicos pudieron determinar la fuerte fuerza de acoplamiento en las distancias más grandes hasta la fecha. Sus hallazgos, que brindan apoyo empírico a las predicciones teóricas, aparecieron recientemente en la portada de la revista granos.

“Estamos felices y emocionados de ver que se reconocen nuestros esfuerzos”, dijo Jianping Chen, científico jefe del Laboratorio Jefferson y uno de los autores de la investigación.

Si bien este documento es la culminación de años de recopilación y análisis de datos, para empezar no tenía la intención del todo.

Parte de una experiencia de giro

A distancias más pequeñas entre quarks, el acoplamiento de fuerza fuerte es pequeño y los físicos pueden resolverlo de forma iterativa estándar. Sin embargo, a distancias más grandes, el acoplamiento de fuerza fuerte se vuelve demasiado grande para que el método iterativo funcione.

“Esto es una maldición y una bendición al mismo tiempo”, dijo Alexandre Dior, científico del Laboratorio Jefferson y uno de los autores del artículo. “Si bien tenemos que usar técnicas más complejas para calcular esta cantidad, su valor absoluto desencadena una serie de fenómenos emergentes muy importantes”.

Esto incluye un mecanismo que representa el 99% de la masa normal del universo. (Pero llegaremos a eso en breve).

A pesar del desafío de no poder usar el método iterativo, Deur, Chen y sus colegas extrajeron una fuerte fuerza de acoplamiento en las distancias más grandes entre los cuerpos afectados.

Extrajeron este valor de un puñado de experimentos de Jefferson Lab que en realidad fueron diseñados para estudiar algo completamente diferente: el giro de un protón y un neutrón.

Estos experimentos se realizaron en el Laboratorio de Aceleración de Haz de Electrones Continuos, una instalación para usuarios del DOE. CEBAF puede proporcionar haces de electrones polarizados, que pueden dirigirse a objetivos especializados que contienen protones y neutrones polarizados en las salas experimentales. Cuando el haz de electrones está polarizado, significa que la mayoría de los electrones están orbitando en la misma dirección.

Estos experimentos dispararon un haz de electrones polarizados en el Laboratorio Jefferson a objetivos de protones o neutrones polarizados. Durante los muchos años de análisis de los datos posteriores, los investigadores se dieron cuenta de que podían combinar la información recopilada sobre el protón y el neutrón para extraer un fuerte acoplamiento fuerte a mayores distancias.

“Solo el haz de electrones polarizados de alto rendimiento del Laboratorio Jefferson, combinado con los avances en objetivos polarizados y sistemas de detección, nos permitió obtener tales datos”, dijo Chen.

Descubrieron que a medida que aumenta la distancia entre los objetos afectados, el acoplamiento de fuerza fuerte crece rápidamente antes de estabilizarse y volverse estable.

“Hay algunas teorías que han predicho que este debería ser el caso, pero esta es la primera vez que lo vemos experimentalmente”, dijo Chen. “Esto nos da detalles de cómo funciona realmente la fuerza fuerte, en la escala de los quarks que forman protones y neutrones”.

El compromiso apoya las grandes teorías

Estos experimentos se realizaron hace unos 10 años, cuando el haz de electrones de Jefferson Lab pudo entregar electrones de hasta 6 GeV de energía (ahora es capaz de hasta 12 GeV). Se requirió el haz de electrones de baja energía para examinar la fuerza fuerte a estas distancias más grandes: la sonda de menor energía permite el acceso a escalas de tiempo más largas y, por lo tanto, distancias más grandes entre las partículas afectadas.

De manera similar, se necesita una sonda de alta potencia para acercar y obtener vistas con escalas de tiempo más cortas y distancias entre partículas más pequeñas. Los laboratorios con haces de alta energía, como el CERN, el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, han examinado el acoplamiento de fuerzas fuertes en estas escalas de espacio-tiempo más pequeñas, cuando este valor es relativamente pequeño.

La vista ampliada proporcionada por los rayos de alta energía mostró que la masa del quark es pequeña, solo unos pocos MeV. Al menos, ese es el tamaño de sus libros de texto. Pero cuando se prueban los quarks con una energía más baja, su masa crece efectivamente a 300 megaelectronvoltios.

Esto se debe a que los quarks recogen una nube de gluones, la partícula que transporta la fuerza intensa, a medida que se desplazan a grandes distancias. El efecto de generación de masa de esta nube representa la mayor parte de la masa del universo; sin esta masa adicional, la masa básica de los quarks solo puede representar alrededor del 1% de la masa de protones y neutrones. El otro 99% proviene de esta masa ganada.

De manera similar, una teoría postula que los gluones no tienen masa en distancias cortas pero ganan masa activamente a medida que viajan distancias más largas. La normalización del acoplamiento de fuerzas fuertes sobre grandes distancias apoya esta teoría.

“Si los gluones permanecen sin masa a largo plazo, el acoplamiento de fuerza fuerte continuará creciendo sin control”, dijo Dior. “Nuestras mediciones muestran que el acoplamiento de fuerza fuerte se vuelve constante a medida que aumenta la distancia investigada, una señal de que los gluones ganaron masa a través del mismo mecanismo que le da el 99% de la masa al protón y al neutrón”.

Esto significa que el acoplamiento de fuerzas fuertes en grandes distancias es importante para comprender este mecanismo de generación de masas. Estos resultados también ayudan a validar nuevas formas de resolver las ecuaciones de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría aceptada que describe la fuerza fuerte.

Por ejemplo, aplanar el acoplamiento de fuerza fuerte en grandes distancias proporciona evidencia de que los físicos pueden aplicar una nueva técnica de vanguardia llamada el sistema binario Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT). La técnica AdS/CFT permite a los físicos resolver ecuaciones no recursivas, lo que puede ayudar en los cálculos de fuerza fuerte en grandes distancias donde fallan los métodos iterativos.

La congruencia en la “teoría del campo coincidente” significa que la tecnología se basa en una teoría que se comporta de la misma manera en todas las escalas del espacio-tiempo. A medida que los niveles de acoplamiento de fuerza fuerte disminuyen a mayores distancias, ya no depende de la escala del espacio-tiempo, lo que significa que la fuerza fuerte es compatible y se puede aplicar AdS/CFT. Si bien los teóricos ya han estado aplicando AdS/CFT a QCD, estos datos respaldan el uso de esta técnica.

“AdS/CFT nos ha permitido resolver problemas de QCD o gravedad cuántica que hasta ahora han sido intratables o casi abordados utilizando modelos no muy rigurosos”, dijo Dior. “Esto ha producido muchas ideas emocionantes sobre la física fundamental”.

Entonces, si bien estos resultados son generados por empiristas, afectan más a los teóricos.

“Creo que estos resultados son un verdadero avance para el avance de la cromodinámica cuántica y la física de hadrones”, dijo Stanley Brodsky, profesor emérito del SLAC National Accelerator Laboratory y teórico de QCD. “Felicito a la comunidad de física de Jefferson Lab, y en particular al Dr. Alexander Dior, por este importante avance en física”.

Han pasado años desde que se llevaron a cabo los experimentos que arrojaron estos resultados erróneos. Un conjunto completamente nuevo de experimentos está utilizando ahora el haz de alta energía de 12 GeV del Laboratorio Jefferson para explorar la física nuclear.

“Algo que me complace mucho de todas estas viejas experiencias es que hemos capacitado a tantos estudiantes jóvenes y ahora son líderes para futuros experimentos”, dijo Chen.

Solo el tiempo dirá qué teorías se sustentan en estas nuevas experiencias.


Los físicos nucleares buscan protones comprimidos


más información:
Alexandre Dior et al., Determinación experimental de la carga efectiva QCD αg1 (Q), granos (2022). DOI: 10.3390 / 5020015 Partículas de partículas

Proporcionado por Thomas Jefferson National Accelerator Facility

La frase: Fuerza de Fuerza Fuerte (3 de agosto de 2022) Recuperado el 3 de agosto de 2022 de https://phys.org/news/2022-08-st Strength-strong.html

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