El experimento COMPASS de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha realizado una medida fundamental sobre la interacción nuclear fuerte, que es una de las cuatro fuerzas fundamentales que mantiene unidas a las partículas dentro de los átomos.
En concreto, esta interacción une a los quarks (que, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia) dentro de protones y neutrones; y a ambos dentro del núcleo del átomo. Los otros tres tipos de interacciones fundamentales que contempla el modelo estándar de partículas son la interacción nuclear débil, la interacción electromagnética y la interacción gravitatoria.
Cómo se produce
En la transmisión de la interacción nuclear fuerte, las protagonistas son unas partículas llamadas piones, que están hechas de un quark y su antipartícula, un antiquark (que tiene la misma masa y el mismo espín que el quark, pero distinta carga eléctrica).
La teoría de la interacción fuerte, llamada QCD, hace predicciones precisas de una propiedad llamada polarizabilidad (en inglés polarizability), que es el grado en que la forma de los piones puede ser distorsionada. Esta capacidad de deformación es una medida directa de la fuerza fuerte existente entre los quarks. En otras palabras, la medición de la polarizabilidad puede informar sobre la interacción nuclear fuerte.
Sin embargo, desde los años ochenta, los científicos han estado desconcertados, porque las primeras medidas sobre los piones no parecían estar de acuerdo con las predicciones de la QCD. El resultado presentado, en cambio, sí está en estrecha consonancia con la dicha teoría.
«La teoría de la interacción fuerte es una de las piedras angulares de nuestro entendimiento de la naturaleza al nivel de las partículas elementales», manifiestan Fabienne Kunne y Andrea Bressan, portavoces del experimento COMPASS según recoge un comunicado del Centro Nacional de Física de Partículas (CPAN). «Por eso este resultado, en perfecto acuerdo con la teoría, es muy importante».
Una fuerza en la base del universo
La importancia de los resultados obtenidos destaca aún más si se tiene en cuenta que todo lo que vemos en el universo está hecho de quarks y leptones.
“Mientras que el bosón de Higgs es responsable de la masa de las partículas elementales, permitiendo así a objetos compuestos como nosotros existir, la mayor parte de nuestra masa procede de la energía de enlace de la interacción fuerte que las mantiene unidas. Por eso es tan importante en la comprensión del comportamiento del universo a nivel de las partículas elementales», explica el Director General del CERN, Rolf Heuer.
Los quarks se mantienen unidos en grupos de tres para construir los ladrillos de los núcleos de los elementos, conformados por los protones y los neutrones.
El núcleo del hidrógeno, por ejemplo, consiste en un único protón, mientras que el núcleo del átomo de oro tiene 79 protones y 118 neutrones. Revoloteando entre los protones y neutrones, en el núcleo, están los piones, portadores de la fuerza fuerte que mantiene el núcleo unido.
Cómo se hizo
Para medir la polarizabilidad del pión, el experimento COMPASS dispara un haz de piones a un objetivo de níquel.
Cuando los piones se acercan al níquel a una distancia del doble del radio de las propias partículas, experimentan un campo eléctrico muy fuerte procedente del núcleo del níquel, que los deforma y cambia de trayectoria emitiendo un fotón en el proceso.
Midiendo la energía del fotón y la deflexión (desviación) de una amplia muestra de 63.000 piones, los investigadores pudieron medir la polarizabilidad. El resultado obtenido por COMPASS muestra que el pión es significativamente más rígido de lo que mostraban anteriores medidas, como se esperaba a partir de la teoría de la interacción fuerte.
Esta medición ha supuesto todo un reto, «puesto que la polarizabilidad del pión es miles de veces más pequeña que la de los átomos, y su efecto es difícil de aislar», explica Jan Friedrich, investigador de la Universidad Técnica de Múnich y líder científico del proyecto.
Referencia bibliográfica:
C. Adolph et al. (COMPASS Collaboration). Measurement of the Charged-Pion Polarizability. Phys. Rev. Lett. (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.062002.