Dentro de un protón no hay precisamente tranquilidad. Quarks y gluones aparecen, interactúan y reorganizan constantemente su energía bajo las reglas de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe la interacción nuclear fuerte.
El problema es que observar lo que ocurre allí dentro significa trabajar con escalas absurdamente pequeñas. Ahora, el experimento ALICE del CERN ha conseguido hacerlo con una resolución de apenas 0,2 femtómetros, aproximadamente una cuarta parte del tamaño de un protón. Y cuando los físicos llevaron su particular microscopio hasta ese nivel encontraron un comportamiento que empieza a ser difícil de explicar con los modelos convencionales.
Los gluones parecen estar alcanzando un punto en el que ya no pueden tratarse simplemente como partículas que evolucionan de forma independiente. Los datos muestran indicios de que comienzan a interactuar colectivamente y limitan su propio crecimiento: el fenómeno conocido como saturación de gluones.
ALICE convirtió dos núcleos que ni siquiera chocaron en un microscopio
El experimento tiene una peculiaridad: para realizar esta medición, los núcleos de plomo no necesitaban impactar directamente. Cuando dos núcleos viajan a velocidades enormes por el LHC y pasan extremadamente cerca uno del otro, sus intensos campos electromagnéticos pueden comportarse como fuentes de fotones de alta energía. Esos fotones interactúan con el otro núcleo y pueden producir una partícula llamada J/ψ.
La J/ψ funciona aquí como una especie de sonda. Analizando cómo se produce, los investigadores pueden reconstruir información sobre la distribución y las fluctuaciones de los gluones dentro del núcleo. El nuevo trabajo, publicado en Physical Review Letters, estudió el fenómeno a distintas transferencias de momento, lo que en la práctica permitió cambiar la “resolución” de la observación.
Daniel Tapia Takaki, físico de la Universidad de Kansas y miembro de ALICE, lo compara precisamente con pasar de una fotografía borrosa a un microscopio de alta resolución. Los científicos observaron el núcleo a escalas aproximadas de 0,6, 0,3 y finalmente 0,2 femtómetros. Esta última permite explorar estructuras subnucleónicas mucho menores que un protón.
Cuanto más profundamente miraron, más extraño fue el comportamiento de los gluones
La teoría predice algo curioso. A energías cada vez mayores, los gluones pueden dividirse y su número aumenta. Pero ese crecimiento no debería continuar para siempre. Si la densidad es suficientemente elevada, las interacciones entre ellos empiezan a ser tan importantes que los procesos de recombinación compensan parcialmente su multiplicación.
El resultado sería una especie de atasco cuántico. Eso es la saturación de gluones: no significa que aparezca una nueva partícula ni que las leyes de la física hayan dejado de funcionar, sino que un enorme número de gluones comienza a comportarse como un sistema colectivo. Y ALICE encontró precisamente la señal que cabría esperar.
En la resolución más fina estudiada, la producción de J/ψ mostró una supresión con una significación estadística de aproximadamente tres desviaciones estándar. La evolución observada coincide con los patrones previstos por modelos que incorporan saturación de gluones.
Hay una explicación alternativa conocida como sombreado nuclear, en la que las distribuciones de gluones dentro de distintos nucleones se solapan y reducen determinadas interacciones. Ha servido para describir muchos resultados anteriores. Esta vez, sin embargo, el modelo de sombreado convencional no reproduce bien los datos y resulta desfavorecido frente a los modelos de saturación.
Es una pista importante, pero todavía no es la prueba definitiva
Ese matiz importa. El estudio no afirma haber demostrado definitivamente la saturación de gluones. El propio artículo científico habla de “evidencia de supresión” y señala que el patrón observado es similar al predicho por esos modelos. Pero conseguir distinguir experimentalmente entre explicaciones que durante años producían resultados muy parecidos ya supone un avance considerable.
La razón va mucho más allá de entender qué sucede dentro de un núcleo de plomo. La interacción fuerte y la energía asociada a quarks y gluones son responsables de la inmensa mayoría de la masa de protones y neutrones, y por extensión de buena parte de la masa de la materia visible.
ALICE nació precisamente para estudiar algunos de los regímenes más extremos de esa interacción. Su detector de 10.000 toneladas, instalado 56 metros bajo tierra, permite investigar desde el plasma de quarks y gluones hasta estas estructuras diminutas en el interior de los núcleos.
Lo fascinante del nuevo resultado es que cuanto más profundamente hemos conseguido mirar dentro de la materia, menos se parece a una colección de partículas aisladas. A escalas de 0,2 femtómetros, empieza a parecerse mucho más a una multitud que ha alcanzado el límite de cuánto puede seguir creciendo.
