Un estudio financiado con fondos comunitarios y efectuado por físicos de Alemania, Francia y Hungría ha demostrado de forma concluyente que el modelo estándar de la física de partículas, una teoría que describe las interacciones fundamentales entre las partículas elementales que componen toda la materia visible del Universo, calcula con exactitud la masa de protones y neutrones. Los resultados, publicados en Internet en la revista Science, son producto de uno de los mayores trabajos computacionales realizados hasta la fecha para calcular la masa de partículas y supone un avance considerable en el campo de la física.
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«Más de un 99% de la masa del Universo visible se compone de protones y neutrones», según se afirma en el estudio. «Estas dos partículas son mucho más pesadas que los quarks y gluones que las constituyen y el modelo estándar de la física de partículas debería poder explicar esta diferencia.»
El Dr. Andreas S. Kronfeld del Fermilab (Estados Unidos) explicó que, puesto que los núcleos atómicos suponen casi el peso total del planeta, y debido a que estos núcleos están compuestos de partículas denominadas quarks y gluones, «los físicos han pensado desde hace mucho tiempo que la masa de los nucleones tiene su origen en la complicada manera en la que los gluones unen a los quarks entre sí, de acuerdo con las leyes de la cromodinámica cuántica (CDC)».
Los físicos comenzaron desde la base, examinando lo más elemental, y establecieron leyes naturales en virtud de la CDC. La CDC es una teoría utilizada para describir la «interacción nuclear fuerte», o las interacciones entre quarks y gluones. No obstante, dado que se estima que las interacciones, tanto las virtuales como las que no lo son, e interacciones virtuales entre gluones y quarks son del orden de varios billones, las computaciones numéricas resultantes son extremadamente complicadas (o incluso imposibles) si utilizamos la CDC estándar.
Los investigadores emplearon un nuevo enfoque denominado CDC en el retículo, mediante el cual el tiempo y el espacio se «diluye» en una especie de retículo o malla. De esta forma pudieron incorporar toda la física necesaria, controlar las aproximaciones numéricas y proporcionar un estrecho margen de error («error budget») en su cálculo de las masas de hadrones (protón, neutrón y prión).
«El retículo reduce todo lo que quisiéramos calcular a integrales que, en principio, pueden ser evaluadas de forma numérica en un ordenador», declaró el Dr. Kronfeld. Gracias a esto, los autores del estudio fueron capaces por primera vez de incluir pares quark-antiquark en sus cálculos, una de las mayores complejidades de la interacción nuclear fuerte.
De acuerdo con el Dr. Kronfeld, los cálculos de los físicos muestran que «incluso aunque desaparecieran las masas de los quarks, la masa del nucleón no cambiaría mucho, un fenómeno denominado a veces "masa sin masa"».
«Dado que estos cálculos de precisión se corresponden con las mediciones en el laboratorio, ahora sabemos, en lugar de sospecharlo, que la fuente de masa de la materia normal es la CDC», concluyen los autores. Sus resultados confirman que el modelo estándar describe de forma correcta el origen de las masas de hadrones. Dado que estas partículas componen la mayor parte del Universo visible, se puede afirmar que la estimación que el modelo estándar permite calcular con precisión la masa del Sol, la Tierra y todo lo que contiene.
La observación más importante del trabajo radica en que los estudios sobre la CDC en el retículo «han alcanzado un nivel en el que todos los errores sistemáticos pueden controlarse completamente». Los físicos sugieren que la CDC en el retículo «desempeñará un papel fundamental en el descubrimiento de una posible nueva física a partir de procesos
interrelacionados con los efectos de la CDC».
La forma en la que la naturaleza genera masas de quarks es uno de los temas que poseen mayor interés para los físicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones.
Science
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