Comparado con el espectro de masas de mesones en el lado izquierdo, y protones, neutrones y bariones en el lado derecho, Está claro que los piones son muy ligeros. Crédito:Kavli IPMU
Usando solo un bolígrafo y papel, un físico teórico ha demostrado una afirmación de hace décadas de que una fuerza fuerte llamada Quantum Chromo Dynamics (QCD) conduce a piones de peso ligero, informa un nuevo estudio publicado el 23 de junio en Cartas de revisión física .
La fuerza fuerte es responsable de muchas cosas en nuestro Universo, de hacer brillar el sol, para mantener los quarks dentro de los protones. Esto es importante porque asegura que los protones y neutrones se unan para formar núcleos de cada átomo que existe. Pero todavía hay mucho misterio en torno a la fuerza fuerte. La relación de Einstein E =mc2 significa que una fuerza fuerte conduce a más energía, y más energía significa una masa más pesada. Pero las partículas subatómicas llamadas piones son muy livianas. De lo contrario, los núcleos no se unirían, no habría más átomos que el hidrógeno, y no existiríamos. ¿Por qué?
Cuando los quarks se descubrieron experimentalmente extrayéndolos de un protón con electrones energéticos, Los científicos llegaron a la "explicación" de que una propiedad de la fuerza fuerte llamada confinamiento era aprisionar quarks, impidiendo que sean observados directamente. Sin embargo, el misterio seguía siendo que nadie podía dar una prueba teórica de que el confinamiento derivara de la QCD.
El fallecido premio Nobel Yoichiro Nambu propuso un concepto llamado "ruptura espontánea de la simetría" que era responsable de crear partículas esencialmente sin masa equivalentes a piones. Es por eso que estos piones son tan livianos (en el mundo real, una pequeña masa intrínseca de quarks no crea partículas completamente sin masa). Pero una vez más nadie pudo demostrar que la teoría de la fuerza fuerte, QCD, se da cuenta de la propuesta de ruptura espontánea de la simetría.
(Izquierda) Si los piones fueran pesados, no podrían mediar una fuerza fuerte entre dos protones, y como resultado, los protones se alejarían unos de otros. (Derecha) Cómo los piones livianos en el mundo real son capaces de unir dos protones al mediar una fuerza fuerte entre ellos. En otras palabras, si los piones no fueran livianos, los protones y neutrones no podrían unirse para formar núcleos, y los únicos átomos en el Universo serían átomos de hidrógeno de un solo protón. Crédito:Kavli IPMU
Así que el investigador principal del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Hitoshi Murayama, resolvió este problema utilizando una versión de la teoría con una mejora matemáticamente elegante llamada supersimetría. Sin embargo, el mundo real no tiene supersimetría. Murayama se acercó al mundo real utilizando una forma específica de romper la supersimetría llamada mediación de anomalías que propuso en 1998.
Al hacerlo, Murayama logró demostrar que QCD de hecho conduce a piones muy livianos, algo que había sido sugerido por simulaciones numéricas con supercomputadoras, pero técnicamente imposible con quarks sin masa para responder definitivamente a la pregunta.
Un resumen de este estudio. (Izquierda) En 1994, Nathan Seiberg y Edward Witten propusieron un modelo con supersimetría extendida para mostrar que el confinamiento era una consecuencia de Quantum Chromo Dynamics (QCD). (Derecha) En 1961, Yoichiro Nambu propuso un concepto de QCD llamado ruptura de simetría quiral, que proporcionó una representación del mundo real de la fuerza fuerte. (Centro) En 2021, Hitoshi Murayama usó la mediación de anomalías, que él y sus colaboradores propusieron en 1998, para romper la supersimetría, permitiéndole conectar el modelo de Seiberg y Witten al mundo real propuesto por Nambu. Como resultado, Murayama pudo encontrar una prueba teórica de la predicción de Nambu de que los piones son ligeros porque la ruptura de la simetría quiral ocurre en QCD. Crédito:Kavli IPMU
"Siempre esperé entender cómo funciona la fuerza nuclear fuerte para que podamos existir. Estoy muy emocionado de haber logrado probar la teoría de Nambu a partir de QCD que ha sido tan difícil durante décadas. Esto es parte de mi larga búsqueda por qué nosotros existen. Es posible que la física no esté muy lejos de responder a esta pregunta milenaria, "dijo Murayama.
El estudio puede abrir nuevas vías a la dinámica de estudio de las teorías de gauge no supersimétricas.
