Al igual que dos vecinos amistosos que se reúnen para charlar con una taza de café, las minúsculas partículas de nuestro mundo subatómico también se unen para entablar una especie de conversación. Ahora, Los científicos nucleares están desarrollando herramientas que les permitan escuchar las charlas de las partículas y aprender más sobre cómo se unen para construir nuestro universo visible.

Jozef Dudek es científico de planta en el Laboratorio Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y profesor asistente de física en William &Mary. Él y sus colegas llevaron a cabo recientemente los primeros cálculos complejos de una partícula llamada sigma. Publicaron el resultado en Cartas de revisión física en Enero.

"A menudo se piensa que el sigma es parte de la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo, "Dudek explicó." Puedes pensar que hay una fuerza entre un protón y un neutrón, lo cual se debe al intercambio de partículas entre ellos. Una de las partículas que pueden intercambiar un protón y un neutrón es la sigma ".

Este intercambio de partículas sigma por protones y neutrones les permite comunicarse a través de la fuerza fuerte. La fuerza fuerte es la fuerza de la naturaleza que une protones y neutrones en núcleos. De hecho, la fuerza fuerte también es responsable de la formación de protones y neutrones.

En décadas de profundizar en el corazón de la materia para descubrir sus componentes básicos, Hasta ahora, los físicos nucleares han descubierto que los fragmentos más pequeños de materia son quarks. Se necesitan tres quarks para construir un protón (y tres para construir un neutrón). Estos quarks están unidos por la fuerza fuerte, nuevamente a través de una conversación entre quarks que se manifiesta como el intercambio de partículas. En este caso, los quarks intercambian 'pegamento' de fuerza fuerte:partículas llamadas gluones.

Entonces, si las partículas pueden conversar mediante el intercambio de gluones de fuerza fuerte directamente, ¿Dónde deja eso el sigma? Resulta que si un protón y un neutrón están muy juntos, pueden mantener su conversación con un simple intercambio de gluones. Pero en un núcleo espacioso, se necesitan otras partículas, incluyendo el sigma, conversar de manera eficiente.

"A mayores distancias, tiene sentido pensar en intercambiar mesones entre nucleones, donde los mesones se construyen a partir de quarks y gluones mismos, pero empaquetados en paquetes confinados, "Dijo Dudek.

Estos 'paquetes confinados' pueden ser sigma, que es un mesón formado por quarks y gluones, u otro mesón llamado pion, familiar para los físicos como una partícula que a menudo se encuentra colgando alrededor del núcleo.

Para ponerlo todo junto los protones y neutrones pueden interactuar mediante el intercambio de gluones a distancias cortas, mesones sigma a distancias medias y piones a distancias mayores.

Calculando el corazón de la materia

Si todo esto suena bastante complicado, eso es porque lo es. Dudek y sus colegas son los primeros en calcular la partícula sigma directamente a partir de la teoría que describe la fuerza fuerte, las partículas que interactúan a través de esta fuerza y ​​la naturaleza de esas interacciones. Esta teoría se llama cromodinámica cuántica o simplemente QCD.

De hecho, estos cálculos eran tan complicados, se requirieron supercomputadoras para lograr la hazaña.

Según Robert Edwards, un científico senior en el Centro de Física Teórica y Computacional del Laboratorio Jefferson, los cálculos de QCD requirieron el esfuerzo dedicado de varias supercomputadoras.

La primera parte de los cálculos se realizó en Titán, una supercomputadora con sede en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE en Tennessee, y la supercomputadora Blue Waters de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Edwards dijo que estos primeros cálculos se utilizaron para desarrollar instantáneas del entorno de partículas subatómicas, o el "vacío" del espacio descrito por QCD.

"El vacío no es un lugar vacío, está hirviendo de energía, "Explica Edwards." Y la energía se manifiesta como fluctuaciones eléctricas y magnéticas, que se puede considerar como el pegamento de la fuerza fuerte. Entonces, lo que hace QCD es observar la fuerza de estos campos en cada punto del espacio ".

Estas instantáneas del vacío fluctuante se pueden imaginar como la superficie de un estanque sobre el que llueve, con las gotas de lluvia causando ondas en el estanque. Cada instantánea de la superficie del estanque corresponde a una instantánea del vacío. Dijo que la supercomputadora Titán generó 485 instantáneas.

Ver cómo se desarrollan los escenarios

Para la segunda parte de los cálculos, Se agregaron quarks a la instantánea. Mientras los quarks se mueven por el vacío, responden a su entorno. Sus posibles movimientos, llamados "propagadores, "se calcularon utilizando las supercomputadoras Titan y Blue Waters. Para cada instantánea del vacío, 800, Se calcularon 000 de estos propagadores.

Con los propagadores en su lugar, Luego, se plantearon varios escenarios diferentes sobre cómo los quarks específicos interactuarán entre sí a medida que se propagan a través del tiempo. Para cada escenario, la supercomputadora calcula la probabilidad dentro de la teoría de QCD de que es probable que los quarks interactúen de esa manera.

"Tenemos que evaluar una cantidad llamada función de correlación. La función de correlación dice que tienes alguna configuración de quarks, y estás viendo la propagación a medida que avanza en el tiempo, "Explica Edwards." Esta función de correlación mide efectivamente la correlación, o su fuerza, entre su configuración inicial de quarks y su configuración final de quarks ".

Continuando con nuestra analogía de las gotas de lluvia en el estanque, ahora imagina que se ha añadido un pato de goma al estanque. Los cálculos de la función de correlación determinan la probabilidad de que el pato de goma flote de un punto a otro en el estanque.

Cada una de las 485 configuraciones se simuló muchas veces para determinar la probabilidad de cada escenario, arrojando alrededor de 15 millones de resultados para comparación. Los cálculos se realizaron en el clúster LQCD de Jefferson Lab en la primavera y el verano de 2016.

Sigma cobra vida

Después de contar todos los cálculos, los investigadores encontraron que si los quarks correctos están presentes, la sigma puede, Por supuesto, ser generado por la fuerza fuerte.

Después de décadas de captar breves destellos de la fugaz existencia del sigma a partir de los datos experimentales que muestran sus efectos sobre otras partículas subatómicas, Dudek y Edwards dicen que este cálculo ofrece ahora a los científicos una nueva forma de estudiar esta elusiva partícula.

"Es realmente un primer paso hacia la comprensión de lo que es el sigma. ¿Existe realmente dentro de la teoría? Aparentemente, lo hace, "Explicó Dudek.

Las propiedades de la sigma en sus cálculos parecen coincidir con lo que los científicos esperan de las propiedades de la sigma en el mundo real. Y lo que es más, ahora que estos cálculos han demostrado que es factible aplicar supercomputadoras a los cálculos de una partícula esquiva como la sigma, esto bien puede abrir la puerta a los cálculos de otras partículas de vida corta.

"Hemos demostrado que podemos demostrar que existe dentro de QCD. Ahora, las preguntas son:¿Qué es? ¿Cómo se forma? ¿Por qué existe esta cosa? ¿Hay alguna manera de entenderlo simplemente? ", Dijo Dudek." ¿Podemos abordar esas preguntas, ahora que tenemos una técnica rigurosa para estudiar dentro de QCD este objeto? Y eso es algo para el futuro ".

Y el estudio de la sigma escurridiza puede permitir a los investigadores vislumbrar por primera vez esta faceta de la fuerza fuerte que existe solo en lo profundo del corazón de la materia. Puede ofrecerles la oportunidad de escuchar a escondidas, Si tu quieres, en la fuerza a medida que avanza en su tarea de construir nuestro universo.