CERN revela el extraño comportamiento de los gluones en el interior de los núcleos atómicos

Un equipo de físicos del CERN realizó un hallazgo significativo que permite observar de manera más detallada el comportamiento de los gluones dentro de los núcleos atómicos. Esta investigación, llevada a cabo en el marco del experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones, se publicó recientemente en la revista Physical Review Letters.

El estudio, liderado por el físico de la Universidad de Kansas, Daniel Tapia Takaki, representa la primera medición multidimensional de la producción de J/ψ (pronunciado "JAY-sigh") en interacciones fotonucleares incoherentes, lo que permite analizar la distribución de los gluones en los núcleos atómicos con una resolución sin precedentes.

Importancia de los gluones

Los gluones son partículas fundamentales que mantienen unidos a los quarks a través de la fuerza fuerte. Aunque los quarks son comúnmente considerados como los componentes básicos de protones y neutrones, la mayor parte de la masa de la materia ordinaria proviene de la energía asociada a los gluones y la fuerza fuerte. Según Tapia Takaki, "entender cómo se comportan los gluones dentro de los núcleos es esencial para comprender cómo la materia adquiere su masa y estructura".

La investigación se realizó en colaboración con científicos de la Universidad Técnica Checa en Praga, institución con la que la Universidad de Kansas mantiene una asociación que incluye intercambios de estudiantes e investigadores.

Transformando el LHC en un microscopio de gluones

Para examinar variaciones en la distribución de gluones dentro de los núcleos, los investigadores aplicaron una técnica conocida como producción fotonuclear incoherente de J/ψ. Tapia Takaki explicó que "las mediciones se realizaron utilizando datos recolectados durante la Segunda Carrera del Gran Colisionador de Hadrones, donde núcleos de plomo en movimiento rápido pasan cerca unos de otros sin colisionar directamente".

En estos encuentros, los intensos campos electromagnéticos que rodean a los núcleos actúan como haces de fotones de alta energía. Cuando uno de estos fotones impacta otro núcleo, puede producir brevemente una partícula llamada J/ψ, cuya producción sirve como un sensor sensible de la estructura subyacente de los gluones.

Las mediciones anteriores generalmente promediaban la distribución de gluones en todo el núcleo. Sin embargo, la producción incoherente de J/ψ puede revelar cambios locales en la densidad de gluones, permitiendo investigar estructuras aún más pequeñas que un protón.

Tapia Takaki comparó el proceso con "cambiar de una imagen borrosa a un microscopio de alta resolución", lo que permite observar cómo los gluones fluctúan y se organizan dentro de los núcleos. Al variar el impulso transferido, el experimento cambia efectivamente el enfoque del microscopio, logrando resoluciones de hasta 0.2 femtómetros, correspondientes a estructuras de aproximadamente una cuarta parte del tamaño de un protón.

Gluones en estado colectivo

Los resultados de las mediciones revelaron que a las escalas más pequeñas, la producción de partículas J/ψ se suprime significativamente, lo que plantea un desafío a la explicación tradicional de "sombreado nuclear", que no logra explicar este patrón observado. En cambio, los hallazgos son consistentes con la saturación de gluones, un fenómeno previsto por la cromodinámica cuántica, que describe cómo los gluones se agrupan en regiones de alta densidad, a veces denominadas "puntos calientes".

Tapia Takaki destacó que "en este régimen, los gluones se agrupan de tal manera que comienzan a interactuar fuertemente entre sí, limitando cuántos pueden existir en una región determinada". Este descubrimiento abre nuevas avenidas para explorar la física no comprendida relacionada con la interacción fuerte.