Los quarks suelen presentarse como los ladrillos de la materia, pero son ladrillos sorprendentemente livianos. La masa de los quarks que forman un protón explica apenas una pequeña fracción de la masa total del protón. El resto, casi todo, sale de la energía de los gluones, las partículas sin masa que transmiten la fuerza nuclear fuerte y mantienen a los quarks unidos.
Dicho de otra forma: casi toda la masa de tu cuerpo, de la Tierra y de las estrellas viene de la energía de unas partículas que no pesan nada. Por eso entender cómo se comportan los gluones dentro de los núcleos atómicos es una de las grandes preguntas de la física. Y un experimento del CERN acaba de aportar una pieza importante.
Un microscopio hecho de luz
El hallazgo viene de ALICE, uno de los grandes detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), y fue publicado a fines de julio en la revista Physical Review Letters con el título «Evidencia de supresión de J/ψ en la producción fotonuclear incoherente». El trabajo volvió a circular en estos días.
Para mirar dentro de un núcleo de plomo, los físicos no necesitaron hacerlo chocar. Aprovecharon colisiones «ultraperiféricas», en las que dos núcleos de plomo pasan muy cerca uno del otro sin tocarse. Al moverse casi a la velocidad de la luz, cada núcleo está rodeado por un campo electromagnético tan intenso que funciona como un haz de fotones de alta energía. Esos fotones golpean al otro núcleo y, a veces, producen una partícula llamada J/ψ.
La clave está en el tipo de producción que eligieron estudiar. En la versión «incoherente», el fotón interactúa con una parte del núcleo y no con todo el conjunto, lo que permite detectar irregularidades internas. «Nuestros experimentos que utilizan la producción incoherente son como pasar de una imagen borrosa a un microscopio de alta resolución», explicó Daniel Tapia Takaki, profesor de la Universidad de Kansas y miembro de la colaboración ALICE.
Con datos de la segunda etapa de funcionamiento del LHC, el equipo midió el proceso en un rango de energías de entre 20 y 633 gigaelectronvoltios, y a tres escalas espaciales: 0,6, 0,3 y 0,2 femtómetros. La más fina equivale a estructuras de alrededor de un cuarto del tamaño de un protón.
Menos partículas de las esperadas
Al llegar a las escalas más pequeñas, apareció un patrón llamativo: la producción de partículas J/ψ caía de forma marcada. Esa supresión no se explica del todo con el modelo más usado hasta ahora, conocido como sombreado nuclear.
«En ese marco, los gluones dentro de un núcleo se solapan y se oscurecen parcialmente entre sí, de forma similar a las capas de nubes que bloquean la luz solar», explicó Tapia Takaki. El sombreado reduce la probabilidad de ciertos procesos, pero no alcanza para dar cuenta de todo lo observado.
Los datos, en cambio, encajan con otro fenómeno: la saturación de gluones. Según la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la fuerza fuerte, cuando los gluones se vuelven extremadamente densos empiezan a interactuar con fuerza entre sí, y esa interacción pone un límite a cuántos pueden acumularse en una región. «A estas escalas, observamos pruebas de que los gluones empiezan a comportarse colectivamente», resumió el investigador.
Los resultados también son compatibles con modelos de «puntos calientes», en los que los gluones se agrupan en zonas de altísima densidad dentro del núcleo que cambian según la energía de la interacción.
¿Rompe las leyes de la física? No exactamente
Aquí conviene poner las cosas en su lugar. El hallazgo no contradice la física conocida: la saturación de gluones es una predicción de la propia cromodinámica cuántica que los físicos llevan décadas intentando observar con claridad. Lo que se pone en duda es la suficiencia de un modelo más simple, no las leyes de fondo.
Además, la señal tiene una significación estadística de unas tres desviaciones estándar. En física de partículas, ese nivel se considera «evidencia», pero no alcanza el umbral de cinco desviaciones que se exige para hablar de un descubrimiento confirmado. Por eso el título del trabajo habla, precisamente, de evidencia.
Lo que viene
El trabajo se hizo en colaboración con investigadores de la Universidad Técnica Checa de Praga, y abre la puerta a mediciones más precisas con los datos de las nuevas etapas del LHC. También anticipa lo que podrá estudiar el Colisionador Electrón-Ion, un acelerador que se construye en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, diseñado en buena parte para explorar justamente este régimen de gluones densos.
«Aunque los quarks se describen a menudo como los bloques de construcción fundamentales de la materia, casi toda la masa del universo visible procede en realidad de la energía que llevan los gluones», recordó Tapia Takaki. Entender cómo se amontonan dentro del átomo es, en el fondo, entender de dónde sale el peso de todo lo que existe.
