Se hizo mucho alboroto sobre el bosón de Higgs cuando se descubrió esta esquiva partícula en 2012. Aunque se promocionó que proporcionaba masa a la materia ordinaria, las interacciones con el campo de Higgs solo generan alrededor del 1 por ciento de la masa ordinaria. El otro 99 por ciento proviene de fenómenos asociados con la fuerza fuerte, la fuerza fundamental que une partículas más pequeñas llamadas quarks en partículas más grandes llamadas protones y neutrones que componen el núcleo de los átomos de la materia ordinaria.

Ahora, los investigadores de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. han extraído experimentalmente la fuerza de la fuerza fuerte, una cantidad que respalda firmemente las teorías que explican cómo se genera la mayor parte de la masa o materia ordinaria en el universo.

Esta cantidad, conocida como el acoplamiento de la fuerza fuerte, describe la fuerza con la que dos cuerpos interactúan o se "acoplan" bajo esta fuerza. El acoplamiento de fuerza fuerte varía con la distancia entre las partículas afectadas por la fuerza. Antes de esta investigación, las teorías no estaban de acuerdo sobre cómo debería comportarse el acoplamiento de fuerzas fuertes a gran distancia:algunas predijeron que debería crecer con la distancia, otras que deberían disminuir y otras que deberían volverse constantes.

Con los datos de Jefferson Lab, los físicos pudieron determinar el acoplamiento de fuerza fuerte a las distancias más grandes hasta el momento. Sus resultados, que brindan apoyo experimental a las predicciones teóricas, aparecieron recientemente en la portada de la revista Particles. .

"Estamos felices y emocionados de ver que se reconoce nuestro esfuerzo", dijo Jian-Ping Chen, científico sénior de Jefferson Lab y coautor del artículo.

Aunque este documento es la culminación de años de recopilación y análisis de datos, al principio no fue del todo intencional.

Una derivación de un experimento giratorio

A distancias más pequeñas entre quarks, el acoplamiento de fuerza fuerte es pequeño y los físicos pueden resolverlo con un método iterativo estándar. Sin embargo, a distancias más grandes, el acoplamiento de fuerza fuerte se vuelve tan grande que el método iterativo ya no funciona.

"Esto es tanto una maldición como una bendición", dijo Alexandre Deur, científico del personal de Jefferson Lab y coautor del artículo. "Si bien tenemos que usar técnicas más complicadas para calcular esta cantidad, su valor desencadena una gran cantidad de fenómenos emergentes muy importantes".

Esto incluye un mecanismo que representa el 99 por ciento de la masa ordinaria del universo. (Pero llegaremos a eso en un momento).

A pesar del desafío de no poder usar el método iterativo, Deur, Chen y sus coautores extrajeron un fuerte acoplamiento de fuerzas a las distancias más grandes entre los cuerpos afectados.

Extrajeron este valor de un puñado de experimentos de Jefferson Lab que en realidad fueron diseñados para estudiar algo completamente diferente:el espín de protones y neutrones.

Estos experimentos se llevaron a cabo en la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos del laboratorio, una instalación para usuarios del DOE. CEBAF es capaz de proporcionar haces de electrones polarizados, que pueden dirigirse a objetivos especializados que contienen protones y neutrones polarizados en las salas experimentales. Cuando un haz de electrones está polarizado, eso significa que la mayoría de los electrones están girando en la misma dirección.

Estos experimentos dispararon el haz de electrones polarizados de Jefferson Lab a objetivos de protones o neutrones polarizados. Durante los varios años de análisis de datos posteriores, los investigadores se dieron cuenta de que podían combinar la información recopilada sobre el protón y el neutrón para extraer un fuerte acoplamiento de fuerza a distancias más grandes.

"Solo el haz de electrones polarizados de alto rendimiento de Jefferson Lab, en combinación con los desarrollos en objetivos polarizados y sistemas de detección, nos permitió obtener tales datos", dijo Chen.

Descubrieron que a medida que aumenta la distancia entre los cuerpos afectados, el acoplamiento de fuerza fuerte crece rápidamente antes de estabilizarse y volverse constante.

"Hay algunas teorías que predijeron que este debería ser el caso, pero esta es la primera vez experimental que realmente vemos esto", dijo Chen. "Esto nos brinda detalles sobre cómo funciona realmente la fuerza fuerte, a la escala de los quarks que forman protones y neutrones".

Estabilizar apoya teorías masivas

Estos experimentos se realizaron hace unos 10 años, cuando el haz de electrones de Jefferson Lab era capaz de proporcionar electrones con una energía de hasta 6 GeV (ahora es capaz de proporcionar hasta 12 GeV). Se requirió el haz de electrones de energía más baja para examinar la fuerza fuerte a estas distancias más grandes:una sonda de energía más baja permite el acceso a escalas de tiempo más largas y, por lo tanto, distancias más grandes entre las partículas afectadas.

De manera similar, una sonda de mayor energía es esencial para acercar las vistas de escalas de tiempo más cortas y distancias más pequeñas entre partículas. Los laboratorios con haces de mayor energía, como el CERN, el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, ya han examinado el acoplamiento de fuerzas fuertes en estas escalas de espacio-tiempo más pequeñas, cuando este valor es relativamente pequeño.

La vista ampliada que ofrecen los rayos de mayor energía ha demostrado que la masa de un quark es pequeña, solo unos pocos MeV. Al menos, esa es su masa de libro de texto. Pero cuando se sondean los quarks con menor energía, su masa crece efectivamente hasta 300 MeV.

Esto se debe a que los quarks acumulan una nube de gluones, la partícula que transporta la fuerza fuerte, a medida que se desplazan a grandes distancias. El efecto de generación de masa de esta nube representa la mayor parte de la masa del universo; sin esta masa adicional, la masa de los quarks de los libros de texto solo puede representar alrededor del 1% de la masa de los protones y neutrones. El otro 99% proviene de esta masa adquirida.

De manera similar, una teoría postula que los gluones no tienen masa en distancias cortas pero adquieren masa de manera efectiva a medida que viajan más lejos. La nivelación del acoplamiento de fuerzas fuertes a grandes distancias apoya esta teoría.

"Si los gluones permanecieran sin masa a larga distancia, el fuerte acoplamiento de fuerzas seguiría creciendo sin control", dijo Deur. "Nuestras mediciones muestran que el acoplamiento de fuerza fuerte se vuelve constante a medida que aumenta la distancia sondeada, lo que es una señal de que los gluones han adquirido masa a través del mismo mecanismo que le da el 99% de la masa al protón y al neutrón".

Esto significa que el acoplamiento de fuerzas fuertes a grandes distancias es importante para comprender este mecanismo de generación de masas. Estos resultados también ayudan a verificar nuevas formas de resolver ecuaciones para la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría aceptada que describe la fuerza fuerte.

Por ejemplo, el aplanamiento del acoplamiento de fuerza fuerte a grandes distancias proporciona evidencia de que los físicos pueden aplicar una nueva técnica de vanguardia llamada dualidad Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT). La técnica AdS/CFT permite a los físicos resolver ecuaciones de forma no iterativa, lo que puede ayudar con los cálculos de fuerza fuerte a grandes distancias donde fallan los métodos iterativos.

El conforme en "Teoría del campo conforme" significa que la técnica se basa en una teoría que se comporta igual en todas las escalas de espacio-tiempo. Debido a que el acoplamiento de fuerza fuerte se nivela a distancias mayores, ya no depende de la escala del espacio-tiempo, lo que significa que la fuerza fuerte es conforme y se puede aplicar AdS/CFT. Si bien los teóricos ya han estado aplicando AdS/CFT a QCD, estos datos respaldan el uso de la técnica.

"AdS/CFT nos ha permitido resolver problemas de QCD o gravedad cuántica que hasta ahora eran intratables o se abordaban de manera muy aproximada utilizando modelos no muy rigurosos", dijo Deur. "Esto ha producido muchas ideas emocionantes sobre la física fundamental".

Entonces, si bien estos resultados fueron generados por experimentadores, afectan más a los teóricos.

"Creo que estos resultados son un verdadero avance para el avance de la cromodinámica cuántica y la física de hadrones", dijo Stanley Brodsky, profesor emérito del SLAC National Accelerator Laboratory y teórico de QCD. "Felicito a la comunidad de física de Jefferson Lab, en particular, al Dr. Alexandre Deur, por este importante avance en física".

Han pasado años desde que se realizaron los experimentos que accidentalmente arrojaron estos resultados. Ahora, un nuevo conjunto de experimentos utiliza el haz de 12 GeV de mayor energía de Jefferson Lab para explorar la física nuclear.

"Algo de lo que estoy muy contento con todos estos experimentos más antiguos es que entrenamos a muchos estudiantes jóvenes y ahora se han convertido en líderes de futuros experimentos", dijo Chen.

Solo el tiempo dirá qué teorías respaldan estos nuevos experimentos. + Explora más

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