EDUARDO CESARLa diferencia esencial: el vacío es el estado de energía mínima y la materia (burbujas) el de energía más altaEDUARDO CESAR
En el núcleo atómico se registra una intensa agitación. Los protones y los neutrones, los elementos constituyentes del núcleo atómico, están rodeados de nubes de otras partículas que surgen y desaparecen constantemente. Observando en detalle el interior de los protones y de los neutrones encontramos las partículas básicas de la materia, los quarks. Pero dentro de cada protón y de cada neutrón no hay solamente tres quarks, tal como se ve en los libros didácticos, sino muchos, que forman pares de partículas y antipartículas, con cargas opuestas, de manera tal que se anulan y en el cómputo general sobran apenas tres. Los quarks se mueven casi a la velocidad de la luz, entran en colisión entre sí y con las paredes internas de los protones y de los neutrones.
De esa manera éstos originan más partículas efímeras, que también desaparecen sin avisar. “Es un lío”, reconoce Marina Nielsen. El trabajo de la investigadora y de otros físicos de la Universidad de São Paulo (USP), juntamente con expertos de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), está ayudando a entender mejor cómo nacen y mueren las partículas que hacen que los protones y los neutrones engorden o adelgacen a una velocidad alucinante, con base en teorías que modifican el concepto de materia y de vacío, visto este último ya no más como algo precisamente vacuo, sino lleno.
Los resultados obtenidos por este grupo se deben a la intensa exploración de las ramificaciones de una teoría creada hace casi 30 años, la cromodinámica cuántica (QCD), que explica las interacciones de los quarks -bastante diferentes si las partículas se encuentran en situaciones normales, las llamadas bajas energías, o en los aceleradores de partículas, túneles de kilómetros de extensión en los cuales los núcleos atómicos entren en colisión a niveles de energía millones de veces más altos.
En las situaciones comunes, aparecen principalmente los piones, partículas formadas por pares de quarks y antiquarks, estos últimos idénticos al quark, a no ser por la carga contraria. Los piones, descubiertos en 1947 por un grupo de físicos que incluía al brasileño César Lattes, se esparcen en todas las direcciones y constituyen la nube formada alrededor de los protones y los neutrones. Los piones mantienen a los protones y a los neutrones unidos en el interior del núcleo y aseguran la estabilidad tanto del núcleo más sencillo, el deuterón, constituido por tan solo un protón y un neutrón, como de núcleos más complejos, como el del oro, formado por 79 protones y 118 neutrones.
Para estudiar los fenómenos de baja energía, los investigadores de la USP y de la Unesp se valieron de un abordaje denominado simetría quiral, análogo al que explica la semejanza de las manos (del griego chiros): frente a un espejo, la imagen de la mano izquierda parece la mano derecha, y viceversa. De la misma manera, el mundo de los quarks no cambia prácticamente cuando se refleja en un espejo imaginario. “La simetría quiral es la base del tratamiento riguroso de la interacción entre los piones y otras partículas”, comenta Manoel Robilotta, coordinador del proyecto. Los físicos paulistas demostraron que ese abordaje puede adoptarse también para entender el comportamiento de las partículas en medio a altas energías.
En el interior de los aceleradores, los núcleos atómicos colisionan entre sí y producen miles de partículas diferentes, que impresionan también por su diversidad de tamaños y comportamientos. Para distinguir aquello que se formó, los físicos buscan un tipo especial de partícula, llamada jota-psi, formada por un par de quark y anticuark. La cantidad de jota-psi puede constituir un indicador importante de la creación de un tipo de materia que habría existido únicamente inmediatamente después del Big Bang, la explosión que, según se cree, originó el Universo. Este estado es un plasma, una sopa muy caliente, hecha de quarks y gluones (los gluones funcionan como una especie de resorte o elástico que une a los quarks en el interior de los protones y los neutrones). De tan caliente (hasta 10 billones de grados Celsius) que es, este plasma disolvería a las jota-psi.
Se están buscando pistas de jota-psi porque estas partículas funcionan como una especie de termómetro: cuando no está presentes entre los fragmentos de la colisión, es una señal de que la temperatura alcanzó un valor altísimo y el plasma primordial fue recreado. O, de manera inversa, cuando se las encuentra entre las partículas producidas durante la colisión, es casi seguro que el plasma no se formó. “Pero, ¿este termómetro sería realmente eficaz?”, indaga Fernando Navarra, otro integrante del grupo. “En principio sí, pero existe un problema: las partículas jota-psi podrían desaparecer de otro modo: interactuando con los piones que surgen abundantemente en las colisiones”. Esta posibilidad ya había sido estudiada sin arribar a ninguna conclusión. El problema renació en 1998, cuando el Centro Europeo de Investigación Nuclear (Cern) registró un fenómeno extrañísimo, llamado supresión anómala de jota-psi, que podría indicar que el plasma podría haber aparecido finalmente. Fue un episodio pasajero, verificado cuando el equipamiento alcanzó el máximo de energía, momentos antes de ser desactivado y sustituido por los actuales.
Los físicos de la USP, en colaboración con Gastão Krein, de la Unesp, refinaron los cálculos y llegaron a la conclusión de que la probabilidad de que jota-psi sea destruido en las interacciones con los piones es del orden de la mitad de lo que se pensaba. De esta forma, el Cern habría de hecho producido plasma de quarks y gluones y, por lo tanto, una especie de cría del Big Bang. “Lo que se observó en el Cern es más probablemente plasma que materia normal”, dice Navarra. Los resultados, publicados el año pasado en Physical Review C y este año en Physics Letters B, echan leña al fuego, sugieren otra forma de identificar el plasma y, si se confirman, podrán enriquecer la investigación del mundo atómico. En julio, Marina Nielsen y Fernando Navarra presentaron las conclusiones en una reunión de especialistas del área, la Quark Matter, realizada en Nantes, Francia, con más de 600 participantes. Y fueron escuchados con interés.
Los experimentos que intentan generar partículas jota-psi y plasma prosiguen en el Acelerador Relativístico de Iones Pesados (Rhic, sigla en inglés), construido en Estados Unidos, con una energía de colisión diez veces mayor que la del Cern. En el Rhic, los núcleos pesados como los del oro casi alcanzan la velocidad de la luz y se achatan como una pizza, encogiéndose 100 veces en su diámetro momentos antes de chocarse. Pero solamente dentro de dos años, con todos los detectores instalados, se podrá saber si es realmente posible formar el plasma con quarks y gluones.
En la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), Cesar Vasconcellos intenta descubrir el proceso de formación del plasma por una vía alternativa, que no requiere de los aceleradores: el estudio de los pulsares, objetos celestes compactos de una masa solar y media condensada en apenas 10 kilómetros de radio, constituidos predominantemente por neutrones. También actúan en el área, la llamada física de los hadrones (el hadrón es cualquier partícula constituida por quarks), equipos de las universidades federales de Río de Janeiro (UFRJ) y de Santa Catarina (UFSC), además del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF).
Ya sea a través de los aceleradores, o por medio de las estrellas, para los físicos de esta área -en la que se destacan Frank Wilczek, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, y Gerard’t Hooft, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Utrecht, Holanda-, las revelaciones que puedan surgir de la interacción entre las partículas constituyen una esperanza de finalmente entender la masa de las partículas y, en última instancia, del propio Universo. Se cree que dicha interacción puede crear masa, ya que las partículas constituyen muy poco de la masa existente. Cada quark tiene una masa de entre 5 y 10 MeV (millones de electrones-Voltios, la unidad de masa de las partículas atómicas), pero los tres quarks de cada protón o neutrón corresponden tan solo a 5 milésimas de la masa de cada una de esas partículas. “La mayor parte de la masa de los protones y de los neutrones proviene de la interacción de los quarks entre ellos y con el vacío que los rodea”, comentaCelso Luiz Lima, físico del grupo. “Cuando interactúan, quarks y antiquarks activan un mecanismo de generación de masa, creando piones”.
Para no dejar que la impresión de que los piones surgen de la nada, se debe entrar en la esencia del trabajo de éste y de otros grupos que estudian el comportamiento de las partículas en el interior del núcleo atómico. Es una inversión completa del concepto de materia. “La materia no es lo que existe, sino lo que falta”, anuncia Robilotta. “Y aquello que es vacío no está vacío, sino lleno”. El núcleo atómico, por lo tanto, sería un defecto en el vacío -burbujas vivas rodeadas de un vacío denso, hecho de partículas, similares a las burbujas del agua mineral o del gel para el cabello. Lo que los diferencia es únicamente el nivel de energía: el vacío es el estado de mínima energía posible, mientras que las burbujas -la materia- representan un estado de energía más alta.
“Creyendo en esa idea, logramos saber cuál es la energía gastada para que tres quarks caven un agujero en el vacío”, dice Robilotta, que calculó esa energía: es de 46 MeV, cercana al valor experimental. Este planteo del vacío lleno, lanzado por el físico inglés Paul Dirac (1902-1984), permite afirmar: del total de la masa de un protón o de un neutrón, se estima que el 90% corresponde a la energía cinética y potencial (la integración con el vacío y la creación continua de partículas), un 7% al hecho de haber cavado un agujero en el vacío (los mentados 46 MeV) y un 3% a la masa de los propios quarks.
Ahora bien, la mayor parte de la masa de los protones y de los neutrones puede atribuirse a la interacción de los quarks con el vacío. “No existen quarks aislados, a no ser dentro de los agujeros en el vacío”, enseña Lima. Cuando los quarks se juntan a los antiquarks, pueden formar un mesón o dar origen a un estado condensado cuyas características son similares a las de la superconductividad, un fenómeno que se registra en ciertos materiales a bajas temperaturas. Pero existe otra posibilidad: “Cuando un quark se une a otros dos, que tampoco han logrado acoplarse a antiquarks, éstos empujan al vacío, formando protones o neutrones cuyo interior es casi el vacío realmente vacío”, cuenta Lima. “Chocando contras las paredes internas de esa burbuja, los quarks perturban al vacío desde el lado de afuera y crean piones, las partículas de las nubes que envuelven a los protones y los neutrones.”
Al igual que en un balance contable de una empresa, las cuentas deben cerrar. No importa si en la burbuja, que representa un protón o un neutrón, existen tres quarks, cuatro quarks y un antiquark o cinco quarks y dos antiquarks: el resultado final debe contener tres quarks en exceso, como en una simple adición, hecha y contrahecha a todo momento en un mundo que parece un inmenso vacío: si el átomo fuera de 10 kilómetros, el núcleo mediría 1 metro, los protones y los neutrones, 10 centímetros, y cada quark, que son 10 mil veces menores, mediría una centésima de milímetro, el equivalente a una ameba. Allí, como las personas, los protones y los neutrones ganan o pierden peso, alimentándose con partículas.
El Proyecto
Física de los Hadrones
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Manoel Roberto Robilotta – Instituto de Física da USP
Inversión
R$ 141.660,00
