Al igual que dos vecinos amigables que se reúnen para conversar mientras toman una taza de café, las minúsculas partículas en nuestro mundo subatómico también se unen para entablar una especie de conversación. Ahora, los científicos nucleares están desarrollando herramientas para permitirles escucharen los festivales de gabinetes de las partículas y aprender más sobre cómo se unen para construir nuestro universo visible
Jozef Dudek es científico del personal del Laboratorio Jefferson del Departamento de Energía de los EE. UU. Y profesor asistente de física en el Colegio de William & Mary. Recientemente, él y sus colegas realizaron los primeros cálculos complejos de una partícula llamada sigma y publicaron elresulta en Cartas de revisión física en enero
"A menudo se piensa que la sigma es parte de la fuerza que mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo", explica. "Se puede pensar que existe una fuerza entre un protón y un neutrón, que se debe a laintercambio de partículas entre ellos. Una de las partículas que un protón y un neutrón pueden intercambiar es la sigma ".
Este intercambio de partículas sigma por protones y neutrones les permite comunicarse a través de la fuerza fuerte. La fuerza fuerte es la fuerza de la naturaleza que une protones y neutrones en núcleos. De hecho, la fuerza fuerte también es responsable de la formación de protones.y neutrones.
En décadas de profundizar en el corazón de la materia para descubrir sus componentes básicos, los físicos nucleares hasta ahora han descubierto que los pedazos más pequeños de materia son quarks. Se necesitan tres quarks para construir un protón y tres para construir un neutrón.Estos quarks están unidos por la fuerza fuerte, de nuevo a través de una conversación entre quarks que se manifiesta como el intercambio de partículas. En este caso, los quarks intercambian fuerza fuerte 'pegamento' - partículas llamadas gluones.
Entonces, si las partículas pueden conversar directamente mediante el intercambio de gluones de fuerza fuerte, ¿dónde deja eso a la sigma? Resulta que si un protón y un neutrón están realmente juntos, pueden mantener su conversación con un simple intercambiode gluones. Pero en un núcleo espacioso, se necesitan otras partículas, incluida la sigma, para conversar eficientemente.
"A distancias más grandes, tiene sentido pensar en intercambiar mesones entre nucleones, donde los mesones están formados por quarks y gluones mismos, pero se empaquetan en paquetes confinados", dice Dudek.
Estos 'paquetes confinados' pueden ser el sigma, que es un mesón construido de quarks y gluones, u otro mesón llamado pión, familiar para los físicos como una partícula que a menudo se encuentra colgando alrededor del núcleo.
Para ponerlo todo junto, los protones y los neutrones pueden chatear mediante el intercambio de gluones a distancias cortas, los mesones sigma a distancias medias y los piones a distancias más grandes.
Calculando el corazón de la materia
Si todo esto suena bastante complicado, es porque lo es. Dudek y sus colegas son los primeros en calcular la partícula sigma directamente de la teoría que describe la fuerza fuerte, las partículas que interactúan a través de esta fuerza y la naturaleza de esas interaccionesEsta teoría se llama cromodinámica cuántica o simplemente QCD.
De hecho, estos cálculos fueron tan complicados que se requirieron supercomputadoras para lograr la hazaña.
Según Robert Edwards, científico senior del Centro de Física Teórica y Computacional de Jefferson Lab, los cálculos de QCD requirieron el esfuerzo dedicado de varias supercomputadoras.
La primera parte de los cálculos se llevó a cabo en Titan, una supercomputadora con sede en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE en Tennessee y la supercomputadora Blue Waters en la Universidad deIllinois en Urbana-Champaign.
Edwards dice que estos primeros cálculos se usaron para desarrollar instantáneas del entorno de partículas subatómicas, o el "vacío" del espacio descrito por QCD.
"El vacío no es un lugar vacío, está lleno de energía", explica Edwards. "Y la energía se manifiesta como fluctuaciones eléctricas y magnéticas, que pueden considerarse como el pegamento de la fuerza fuerte. Entonces, lo que hace QCD esmire la fuerza de estos campos en cada punto del espacio "
Estas instantáneas del vacío fluctuante se pueden imaginar como la superficie de un estanque que llueve, y las gotas de lluvia causan ondas en el estanque. Cada instantánea de la superficie del estanque corresponde a una instantánea del vacío. Dice 485 instantáneasfueron generados por la supercomputadora Titan.
Viendo los escenarios jugar
Para la segunda parte de los cálculos, se agregaron quarks a la instantánea. A medida que los quarks se mueven a través del vacío, responden a su entorno. Sus posibles movimientos, llamados "propagadores", se calcularon usando las supercomputadoras Titan y Blue Waters.cada instantánea del vacío, se calcularon 800,000 de tales propagadores.
Con los propagadores en su lugar, se plantearon varios escenarios diferentes sobre cómo interactuarían los quarks específicos a medida que se propagan a través del tiempo. Para cada escenario, la supercomputadora calcula la probabilidad dentro de la teoría de QCD de que los quarks puedan interactuarde esa manera.
"Tenemos que evaluar una cantidad llamada función de correlación. La función de correlación dice que tiene alguna configuración de quarks y está observando la propagación a medida que pasan el tiempo", explica Edwards. "Esta función de correlación está midiendo efectivamentela correlación, o su fuerza, entre su configuración inicial de quarks y su configuración final de quarks "
Continuando con nuestra analogía de las gotas de lluvia en el estanque, ahora imagine que se ha agregado un pato de goma al estanque. Los cálculos de la función de correlación determinan la probabilidad de que el pato de goma flote de un punto a otro en el estanque.
Cada una de las 485 configuraciones se simularon muchas veces para determinar la probabilidad de cada escenario, produciendo aproximadamente 15 millones de resultados para la comparación. Los cálculos se llevaron a cabo en el grupo LQCD de Jefferson Lab en la primavera y el verano de 2016.
Sigma vuelve a la vida
Después de que todos los cálculos fueron contados, los investigadores encontraron que si los quarks correctos están presentes, el sigma puede, de hecho, ser generado por la fuerza fuerte.
Después de décadas de captar breves destellos de la fugaz existencia de la sigma a partir de los datos experimentales que muestran sus efectos sobre otras partículas subatómicas, Dudek y Edwards dicen que este cálculo ahora ofrece a los científicos una nueva forma de estudiar esta esquiva partícula.
"Es realmente un primer paso hacia la comprensión de lo que es la sigma. ¿Existe realmente dentro de la teoría? Aparentemente, lo hace", confirma Dudek.
Las propiedades de la sigma en sus cálculos parecen coincidir con lo que los científicos esperan de las propiedades de la sigma del mundo real. Además, ahora que estos cálculos han demostrado que es factible aplicar supercomputadoras a los cálculos de una partícula esquiva como lasigma, esto puede abrir la puerta a los cálculos de otras partículas de vida corta.
"Hemos demostrado que podemos demostrar que existe dentro de QCD. Ahora, las preguntas son: ¿Qué es? ¿Cómo se forma? ¿Por qué existe esto? ¿Hay una manera de entenderlo simplemente?", Dice Dudek."¿Podemos abordar esos, ahora que tenemos una técnica rigurosa para estudiar dentro de QCD este objeto? Y eso es algo para el futuro".
Y el estudio de la sigilosa sigma puede permitir a los investigadores ver por primera vez esta faceta de la fuerza fuerte que existe solo en el fondo del corazón de la materia. Puede ofrecerles la oportunidad de espiar, si lo desean, la fuerza a medida que avanzasu negocio de construir nuestro universo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instalación nacional de aceleración Thomas Jefferson . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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