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domingo, mayo 28, 2017

La importancia de los ‘quarks’ en el origen del universo

El experimento más grande del mundo se lleva a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, su sigla en inglés) en Ginebra, Suiza. Consiste en hacer chocar protones acelerados hasta alcanzar casi la velocidad luz, y detectar lo que sucede cuando esto ocurre.

El objetivo de este experimento es buscar respuestas a preguntas fundamentales de la humanidad: ¿qué somos?, ¿de dónde venimos? y ¿para dónde vamos? Para la física, estas preguntas se traducen en: ¿de qué está hecho el universo?, ¿cuál es su origen? y ¿cuál es su futuro? 

Recientemente, uno de los cuatro detectores de los choques del LHC, llamado LHCb, reportó el descubrimiento de cinco nuevas partículas llamadas ‘bariones encantados’, que vienen siendo primos de los protones y neutrones.
Los  bariones están compuestos por tres partículas fundamentales llamadas ‘quarks’. Dentro de los bariones más conocidos están los protones y los neutrones. Los ‘quarks’, a su vez, son partículas subatómicas y constituyentes fundamentales de la materia, que viven y obedecen las reglas del mundo cuántico.

La dinámica de los ‘quarks’, es decir, la forma como se comportan, está descrita por una teoría llamada cromodinámica cuántica o QCD, su sigla en inglés. En resumen, la QCD nos dice cómo funcionan los ‘quarks’, describiendo la interacción fuerte esencial para la formación de núcleos atómicos, formados por protones y neutrones.

La QCD es una de las teorías más elegantes matemáticamente hablando que tiene la física; sin embargo, tiene varios problemas aún por discernir. Sus principales características son el confinamiento y la libertad asintótica, algo bastante extraño de lo que conocemos sobre las interacciones entre partículas. 

El confinamiento se refiere a que los ‘quarks’ siempre tienen que estar asociados. Estas agrupaciones son regularmente de dos y tres ‘quarks’, llamados mesones y barones, respectivamente. Experimentos recientes muestran que también puede haber asociaciones de cuatro y cinco ‘quarks’, llamados ‘tetraquark’ y ‘pentaquark’ (LHCb, según lo reportó el descubrimiento del primer ‘pentaquark’ en el 2015). 

Por otro lado, la libertad asintótica nos dice que la interacción fuerte se hace más débil cuando la energía es mayor. Según esto, al comienzo del universo, cuando había una gran cantidad de energía concentrada, la interacción fuerte que liga los ‘quarks’ no era tan potente y, por tanto, estos podían estar desligados unos de otros. En esta especie de sopa de ‘quarks’ no había posibilidades de formar protones o neutrones, por lo que no se podían formar núcleos atómicos. 

Este conocimiento nos lleva a entender en qué momento del universo y bajo qué circunstancias se formaron los núcleos atómicos, para luego dar inicio a la formación del universo a gran escala como lo conocemos actualmente. 

Comprender a cabalidad la naturaleza de la interacción fuerte es una de las grandes incógnitas matemáticas por resolver de los llamados problemas del milenio. Quien logre dilucidarlo, recibiría un millón de dólares y lo haría merecedor de un eminente puesto en la historia de la ciencia. 

De ahí la importancia de los descubrimientos reportados por el LHCb. Las nuevas cinco partículas bariónicas y los estados de ‘pentaquark’ nos ayudan a entender cómo funcionan los ‘quarks’ y ese extraño mundo de la interacción fuerte.

JAIRO ALEXIS RODRÍGUEZ*
Especial para EL TIEMPO
* Ph. D. Director de Investigación y Extensión de la Universidad Nacional.

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