Colisiones de partículas dentro del detector STAR en el Solenoidal Tracker del RHIC, conocido como STAR
Laboratorio Nacional de Brookhaven
Un par de partículas raras producidas en colisiones de protones de alta energía pueden ser la evidencia más clara hasta ahora de que la masa puede surgir del espacio vacío. El hallazgo podría arrojar luz sobre uno de los mayores enigmas de la física: cómo las partículas adquieren su masa.
Según la cromodinámica cuántica (QCD), ampliamente considerada como nuestra mejor teoría para describir la fuerza fuerte que une los quarks dentro de protones y neutrones, ni siquiera un vacío perfecto está realmente vacío. En cambio, está lleno de perturbaciones de corta duración en la energía subyacente del espacio que aparecen y desaparecen, conocidas como partículas virtuales. Entre ellos se encuentran los pares quark-antiquark.
En condiciones normales, estas parejas fugaces desaparecen casi tan pronto como aparecen. Pero si se inyecta suficiente energía en el vacío, QCD predice que pueden convertirse en partículas reales y detectables con una masa mensurable.
Ahora, la colaboración STAR (un equipo internacional de físicos que trabajan en el Colisionador Relativista de Iones Pesados en el Laboratorio Nacional Brookhaven en el estado de Nueva York) ha observado este proceso por primera vez.
El equipo rompió protones de alta energía en el vacío, produciendo una pulverización de partículas. Algunas de estas partículas deberían ser pares de quarks y antiquarks extraídos directamente del propio vacío, pero los quarks nunca pueden existir solos y combinarse inmediatamente en partículas compuestas.
Afortunadamente para el equipo, estas partículas en particular contienen una pista sobre su origen. Los quarks y antiquarks nacen con sus espines correlacionados: una alineación cuántica compartida heredada del vacío.
Los investigadores descubrieron que este vínculo persiste incluso después de que los quarks y antiquarks se convierten en parte de partículas más grandes llamadas hiperones, que se desintegran en menos de una décima de milmillonésima de segundo. Detectar estos hiperones alineados con espín después de las colisiones de protones permitió a los investigadores confirmar que los quarks dentro de ellos procedían del vacío.
“Esta es la primera vez que vemos todo el proceso”, dice Zhoudunming Tu, miembro de la colaboración STAR.
“Estoy muy feliz de ver esta medición”, dice Daniel Boer de la Universidad de Groningen en los Países Bajos, que no participó en el trabajo. Dice que todavía hay muchos misterios sobre los quarks, como por ejemplo por qué no pueden existir solos. “Esto es lo que hace que este experimento sea especialmente interesante”.
Tu cree que el trabajo abre una nueva forma de examinar las propiedades del vacío directamente, lo que con suerte permitirá a los científicos estudiar cómo las partículas adquieren masa. La teoría de QCD predice que los quarks ganan más peso al interactuar con el vacío mismo, pero no está claro cómo lo hacen.
Alessandro Bacchetta, de la Universidad de Pavía en Italia, dice que el resultado aún no es definitivo, ya que reconstruir eventos a partir de colisiones de partículas puede ser complejo. En primer lugar, los investigadores deben excluir exhaustivamente otras posibilidades que podrían haber conducido a la misma señal, afirma.
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