El universo es como el agua que fluye cuesta abajo, y eso no es un mantra espiritual al estilo de la Nueva Era. Las partículas y los sistemas se mueven espontáneamente hacia estados de menor energía, incluyendo la desintegración de partículas pesadas en otras más ligeras.
Los protones se encuentran en la base de esta colina. Son el barión más ligero (una partícula subatómica compuesta de quarks), y nunca se ha observado la desintegración de un protón.
Ahora, los investigadores han encontrado evidencia de que una de las propiedades que definen al protón podría funcionar de manera diferente a como se creía. Esto podría ayudar a explicar un antiguo misterio sobre qué es exactamente lo que mantiene unida la materia en el Universo.
La aparente estabilidad del protón está ligada a la conservación del número bariónico, lo que ayuda a distinguir la materia de la antimateria. Tradicionalmente se asume que el número bariónico está determinado por los tres quarks de valencia que componen los bariones, como los protones y los neutrones. Pero ahora, tras décadas de incertidumbre, un nuevo estudio revolucionario que utiliza colisiones de partículas de alta energía ha proporcionado algunas de las pruebas experimentales más sólidas hasta la fecha en contra de este sencillo modelo de quarks de valencia.
El estudio, publicado en la revista Science, respalda la idea de que el número bariónico se transporta en realidad en una “unión bariónica” en forma de Y de la partícula, formada por gluones sin masa que actúan como pegamento para mantener unidos a los bariones. Aunque esta teoría se propuso en la década de 1970, los físicos no habían podido probar adecuadamente estas dos teorías contrapuestas, hasta ahora, lo que ha puesto de manifiesto un enigma fundamental:
“Los tres extremos de la unión bariónica están conectados a los quarks de valencia, lo que hace indistinguible, para la mayoría de los procesos físicos, si la unión o los quarks de valencia portan el número bariónico”, escriben los investigadores.
“Por este motivo, ninguno de los dos escenarios ha sido verificado experimentalmente de forma inequívoca”.
Como suele ocurrir con los enigmáticos fenómenos de la física de partículas, la mejor manera de explorarlos puede ser haciendo chocar partículas entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. En consecuencia, un enorme equipo de investigación llamado Colaboración STAR analizó los resultados de diferentes tipos de colisiones producidas en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC, por sus siglas en inglés), el acelerador y colisionador de partículas ahora fuera de servicio en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York.
El equipo analizó los resultados de colisiones fotonucleares y colisiones nucleares isobáricas, y luego comparó estos resultados con múltiples modelos computacionales que simulan colisiones de partículas de alta energía. Las colisiones nucleares isobáricas consisten en hacer colisionar dos núcleos del mismo número másico y, a continuación, medir el número neto de bariones transportados en relación con la carga eléctrica neta entre las diferentes especies de núcleos; en este caso, los núcleos en colisión de átomos de rutenio y circonio.
Esto debería producir una señal específica porque se sabe que los quarks de valencia tienen carga eléctrica, mientras que la unión no tiene carga eléctrica. Los investigadores descubrieron que los bariones viajan más lejos a través de la densa y energética zona de colisión que la carga eléctrica, lo que sugiere que el número bariónico es transportado por la unión, que no se ralentiza tanto como los quarks de valencia cargados eléctricamente.
Por otro lado, las colisiones fotonucleares exploran las interacciones de los fotones (partículas de luz) y los núcleos de los átomos de oro a medida que se acercan entre sí a velocidades relativistas. A estas velocidades vertiginosas, los núcleos de oro con carga positiva generan un campo electromagnético, o básicamente un fotón virtual, “cuasi-real”.
“Así pues, cuando los iones se mueven a una velocidad cercana a la de la luz, hay un conjunto de fotones que rodean el núcleo de oro y viajan con él como una nube”, explica Zhangbu Xu, físico de la Universidad Estatal de Kent y miembro de la Colaboración STAR, en un artículo anterior.
Estos fotones improvisados colisionan entonces con los núcleos de oro, proporcionando una visión “limpia” del transporte del número bariónico: todos los bariones detectados en los “restos” resultantes deben estar asociados con los núcleos de oro.
En otras palabras, debido a que el fotón incidente tiene un número bariónico cero, cualquier número bariónico neto medido después de la interacción debe provenir en última instancia del núcleo de oro. Según los experimentos de isobara, esto parece coincidir con las predicciones de la teoría de Regge, que incorpora una unión bariónica mejor que las simulaciones basadas en quarks de valencia.
“Estos resultados, respaldados por datos previamente publicados por STAR a partir de colisiones Au+Au a diversas energías del haz, desfavorecen el modelo de quarks de valencia”, escriben los investigadores.
En un artículo de opinión de Science que acompaña al artículo, el físico Wenliang Li, de la Universidad Estatal de Mississippi, subraya que, si bien las nuevas mediciones sugieren que los gluones pueden contribuir al transporte del número bariónico, no proporcionan una medición directa y estrictamente controlada del mecanismo subyacente. Con más investigación, esto podría ayudar a los físicos a comprender el desequilibrio entre materia y antimateria que facilitó la existencia del Universo tal como lo vemos hoy, uno de los mayores misterios cósmicos.
“Determinar si los quarks o el campo de gluones transportan el número bariónico podría contribuir a comprender cómo la interacción fuerte entre partículas subatómicas organiza la materia estable y qué causa el desequilibrio entre materia y antimateria en el Universo”, escribe Li.
El futuro depara más colisiones de átomos, incluso con el potente colisionador de electrones e iones que el Laboratorio Nacional de Brookhaven construirá próximamente.
“Se justifican nuevas investigaciones sobre las teorías existentes y alternativas; para ser viables, dichas teorías deben explicar simultáneamente todos los fenómenos observados”, concluyen los investigadores.
“Y hasta ahora, solo el marco de la unión bariónica se mantiene cualitativamente consistente”.
Esta investigación fue publicada en Science.
Fuente: Science Alert.
