Todo lo que nos rodea, desde los árboles hasta las estrellas pasando por nosotros mismos, está hecho de átomos.  Estos a su vez están formados por electrones y un núcleo. Cada núcleo, a pesar de ser decenas de miles de veces más pequeño que el átomo, tiene más del 99% de la masa de su átomo. El núcleo más simple es el del hidrógeno: consiste solamente de un protón. Los demás son más complicados. Por ejemplo, el núcleo de un átomo de oro está formado por 118 neutrones y 79 protones.

Todos los protones tienen una unidad de carga eléctrica positiva. Como cargas iguales se repelen, tanto más cuando más cerca están, los protones dentro de un núcleo atómico están sujetos a inmensas fuerzas electromagnéticas que intentan separarlos, y sin embargo no lo logran. Esto es posible porque los protones (¡tampoco los neutrones!) no son partículas elementales: están compuestos por otras partículas a las que hemos llamado quarks. Estos quarks se mantienen unidos  a través de la acción de los así llamados gluones (del inglés “glue”, que significa pegamento). Los gluones son los portadores de la fuerza más fuerte que hemos descubierto y a la que hemos llamado simplemente la fuerza fuerte. Es tan fuerte esta fuerza que puede mantener unidos a los 79 protones de un átomo de oro en un volumen minúsculo a pesar de la tremenda repulsión electromagnética a la que están sometidos.

Hay muchos gluones dentro de cada protón o neutrón. Algunos pocos de estos gluones portan una fracción grande de la energía total del protón o del neutrón que habitan, mientras que hay muchos gluones que portan apenas una fracción pequeñita de esta energía. Uno podría imaginarse que el número de gluones en un núcleo es la suma de los gluones en cada uno de sus protones y neutrones, pero esto no es así. Los gluones, para cumplir con su labor de mantener unido al núcleo, viajan entre los protones y neutrones y también interaccionan con otros gluones. Al hecho de que la distribución de gluones de baja energía en el  núcleo (en particular, de los que portan menos de uno por ciento de  la energía del núcleo) sea diferente a la de la suma de las distribuciones respectivas en protones y neutrones libres se le llama “shadowing”. Entender este fenómeno es muy importante, pues estos son los gluones más abundantes y es una de las preguntas abiertas de la ciencia actual.

Nuestro grupo en el instituto estudia “shadowing” usando colisiones de núcleos de plomo en el LHC. El LHC (“Large Hadron Collider”) es una máquina inmensa, de 27 km de largo, localizada en un túnel circular subterráneo a las afueras de la cuidad de Ginebra en Suiza. Es tan grande esta máquina, que una parte se encuentra en territorio suizo y otra en tierras francesas.

Dentro de este túnel se encuentra el acelerador de partículas más poderoso que ha construido la humanidad. Acelera paquetes de protones o de núcleos de plomo a casi la velocidad de la luz y los hace chocar en 4 puntos alrededor de su circunferencia, donde se encuentran detectores inmensos construidos y mantenidos en operación por colaboraciones internacionales.

Nuestro grupo es miembro de la Colaboración ALICE que conjunta a más de mil científicos, técnicos y estudiantes provenientes de 36 países.

Para estudiar la distribución de gluones en el protón y en el núcleo de plomo, nuestro grupo usa una propiedad poco conocida del LHC. Además de colisiones protón-protón o protón-plomo o plomo-plomo también es capaz de hacer colisiones luz-protón o luz-plomo.

Tanto los protones como los núcleos de plomo son partículas eléctricamente cargadas por lo cual están rodeadas de un campo electromagnético; esto es, están rodeadas de fotones, o dicho de otro modo, rodeadas de luz. Al ser acelerados estos campos electromagnéticos pueden chocar con la partícula que se aproxima en la dirección opuesta, creando choques de luz con protones o con núcleos de plomo (o choques de luz con luz, pero esa historia la dejamos para otro artículo). Los procesos en los que la luz interacciona con el núcleo de plomo se llaman colisiones ultra periféricas (UPC por sus siglas en inglés) y nos permiten ver de manera muy clara la distribución de los gluones en el núcleo de plomo.

Lo que hacemos es estudiar la producción de una partícula llamada J/ψ – cuyos descubridores recibieron el premio Nobel de física de 1976 – pues para producir esta partícula se requiere la interacción del fotón con dos gluones. En interacciones comunes de núcleos de plomo se producen miles de partículas.

Mientras que en la producción de J/ψ en UPC sólo aparecen dos. El contraste es impresionante y eso permite seleccionar los eventos que nos interesan.

Hay al menos cinco predicciones teóricas diferentes de cuántos gluones con poca energía hay en el núcleo. Es muy complicado hacer estas predicciones, pues no sabemos resolver las ecuaciones que obtenemos de la teoría y cada grupo teórico hace algunas suposiciones para simplificar un poco el problema. Los resultados publicados recientemente por la Colaboración ALICE son diferentes a todas las predicciones existentes, pero parecen favorecer más a una de las predicciones teóricas. Esto parece indicar que todavía no entendemos muy bien el fenómeno de “shadowing”, pero estos datos nuevos nos ayudarán a mejorar las predicciones teóricas.

Actualmente nuestro grupo está estudiando interacciones de luz con protones para medir la distribución de gluones que portan menos que una parte en cien mil de la energía del protón. Nuestros resultados supondrán un reto formidable para los grupos teóricos y por lo tanto nos ayudarán a entender un poco mejor a la más fuerte de las fuerzas; a entender un poco mejor el pegamento que nos mantiene unidos.

Dr. Guillermo Contreras, Facultad de Ciencias, Nucleares e Ingeniería Física, Universidad Técnica de Chequia en Praga

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