Hay un fenómeno de la física que normalmente asociamos con algunos de los lugares más extremos imaginables: los instantes posteriores al Big Bang o las colisiones de partículas dentro de aceleradores como el LHC. Cuando se acumula suficiente energía entre determinadas cargas, esa energía puede acabar transformándose en nuevas partículas.
Un equipo internacional liderado por el Duke Quantum Center acaba de llevar una versión de ese proceso a un laboratorio muchísimo más pequeño. Los investigadores utilizaron un simulador cuántico formado por 13 iones atrapados y controlados mediante láseres para reproducir la llamada rotura de cuerdas (string breaking), una dinámica relacionada con la formación de pares de partículas y antipartículas. Los resultados fueron publicados el 23 de septiembre en Nature Physics.
Hay, eso sí, un matiz fundamental: el dispositivo no creó quarks reales ni fabricó materia de la nada. Lo que hizo fue construir un sistema cuántico que obedece una versión simplificada de las mismas reglas matemáticas y permitió observar cómo evoluciona el fenómeno.
Intentar separar dos quarks puede terminar creando más quarks
Los quarks son los componentes fundamentales de protones y neutrones, pero tienen una peculiaridad: no aparecen aislados en la naturaleza. La fuerza fuerte los mantiene confinados dentro de partículas compuestas.
Una forma intuitiva de imaginarlo es pensar en dos quarks unidos por una cuerda. Cuanto más intentamos separarlos, más energía se acumula en esa conexión. A diferencia de otras fuerzas que se debilitan con la distancia, aquí llega un punto en el que resulta energéticamente más favorable crear un nuevo par de partículas que continuar estirando la cuerda.
La cuerda se rompe y aparecen nuevas cargas. Es un mecanismo relacionado con la forma en la que las partículas se convierten finalmente en hadrones después de colisiones de alta energía y con procesos que pudieron ser importantes durante la evolución temprana del universo. Simular su dinámica desde primeros principios, sin embargo, resulta extremadamente complicado incluso para los ordenadores clásicos más potentes.
Todo el experimento cabía en una cadena de 13 iones
En lugar de provocar físicamente esas condiciones extremas, el equipo de Duke codificó una teoría de gauge simplificada de 1+1 dimensiones dentro de una cadena de iones atrapados.
Los investigadores manipularon individualmente los iones mediante haces láser y ajustaron sus interacciones para que representaran cargas y la energía almacenada en una cuerda. Después prepararon el sistema lejos del equilibrio y observaron su evolución en el tiempo. El resultado fue precisamente la aparición de pares de cargas efectivas y la posterior ruptura de la cuerda simulada.
Además, el equipo reprodujo el mismo experimento mediante cálculos convencionales y obtuvo resultados compatibles, una comprobación importante porque una simulación de solo 13 iones todavía puede resolverse con ordenadores clásicos. La expectativa es que sistemas mayores terminen entrando en un régimen en el que seguir toda la dinámica sea prohibitivo para una máquina convencional.
Y la cuerda no se rompió como esperaban
Aquí aparece la parte más interesante del experimento. Uno de los mecanismos clásicos utilizados para describir la creación espontánea de pares es el efecto Schwinger, según el cual un campo suficientemente intenso puede producir partículas y antipartículas. Si esa explicación dominara el experimento, cabría esperar que los pares aparecieran a lo largo de la cuerda siguiendo una dinámica muy sensible a los parámetros del sistema.
No fue lo que observaron. Las nuevas cargas surgieron preferentemente cerca de los extremos de la cuerda y después se propagaron hacia su interior. El artículo concluye que se trata de un mecanismo transitorio de rotura distinto del mecanismo convencional de Schwinger. Este último podría aparecer en escalas temporales mayores que las accesibles actualmente en el experimento.
El resultado todavía está muy lejos de ser una simulación completa de la cromodinámica cuántica: el modelo tiene una sola dimensión espacial y simplifica considerablemente la fuerza fuerte real. Los propios investigadores reconocen que simular QCD completa continúa fuera del alcance del hardware actual.
Aun así, ahí está precisamente la promesa. En lugar de intentar reconstruir literalmente las condiciones del Big Bang, los físicos están empezando a programar pequeños sistemas cuánticos para que se comporten según algunas de las mismas reglas. Y, en este caso, hacerlo ya ha permitido observar una forma de romper esas “cuerdas” que no era la que esperaban encontrar.
