Uno de los mayores retos teóricos a los que se enfrentan los físicos es comprender cómo las partículas elementales más diminutas dan lugar a la mayor parte de la masa visible del universo.
Las diminutas partículas conocidas como quarks y gluones son los bloques constituyentes para partículas mayores como protones y neutrones, los cuales por su parte forman átomos. Sin embargo, los quarks y gluones se comportan de forma muy distinta a esas partículas mayores haciendo que su estudio sea más difícil.
John Negele, Profesor W.A. Coolidge de Física en el MIT, habló sobre la teoría que gobierna las interacciones de quarks y gluones, conocida como cromodinámica cuántica (QCD), durante una presentación el 17 de febrero en la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Boston.
Negele describió cómo los científicos usan supercomputadores y un concepto llamado Teoría de Campo Reticular para imaginar el comportamiento de los quarks y gluones, las partículas más pequeñas conocidas.
“La búsqueda de la comprensión de los bloques fundamentales que forman la naturaleza ha llevado a la exploración de sucesivas capas de mundos dentro de mundos”, dijo Negele, que también ostenta un cargo en el Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT.
Las moléculas se construyen a partir de átomos, los átomos de electrones y núcleo, el núcleo de protones y neutrones. Esas interacciones se comprenden bastante bien. El siguiente paso en el proceso es desvelar las interacciones entre quarks y gluones, las cuales son radicalmente distintas de aquellas observadas en partículas mayores y necesitan de una aproximación distinta para estudiarlas.
Hay varios factores que hacen que el estudio de las interacciones entre quarks y gluones sea más complejo. Por ejemplo, los quarks están confinados en partículas mayores, por lo que no pueden ser separados y estudiados de forma aislada. También, la fuerza entre dos quarks se hace mayor conforme se alejan, mientas que la fuerza entre un núcleo y un electrón, o dos nucleones en un núcleo, se hacen menores conforme su separación aumenta.
Estas diferencias pueden explicarse mediante la propiedad de libertad asintótica, por la cual David Gross, David Politzer y el profesor de física del MIT Frank Wilczek, compartieron el Premio Nobel de 2004.
Esta propiedad describe cómo la fuerza generada por el intercambio de gluones se hace más débil cuando los quarks se acercan y aumenta cuando los quarks se separan.
Como consecuencia, ninguna de las técnicas analíticas usadas para resolver con éxito los problemas de física atómica y nuclear puede usarse para analizar los quarks y gluones.
Esta propiedad describe cómo la fuerza generada por el intercambio de gluones se hace más débil cuando los quarks se acercan y aumenta cuando los quarks se separan.
Como consecuencia, ninguna de las técnicas analíticas usadas para resolver con éxito los problemas de física atómica y nuclear puede usarse para analizar los quarks y gluones.
En lugar de esto, los físico usan la Teoría de Campo Reticular para estudiar las interacciones QCD. Usando potentes supercomputadores, los investigadores pueden analizar la QCD representando el espacio-tiempo en una retícula de cuatro dimensiones de puntos discretos, como un cristal.
Los cálculos están siendo realizados por ordenadores especialmente construidos para este propósitos, tales como el BlueGene/L de 360 teraflops en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
En su charla, Negele describió las ideas básicas de cómo se resuelve la QCD usando una retícula de espacio-tiempo y mostró resultados seleccionados de los cálculos de propiedades de protones, neutrones y otras partículas de interacciones fuertes.
