Un experimento del CERN introduce precisión en una pieza clave de la física de partículas

Miembros del experimento Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy COMPASS del CERN informan esta semana en un artículo en la revista Physical Review Letters de una medida fundamental sobre la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones, y a ambos dentro del núcleo. Unas partículas llamadas piones, hechas de un quark y su antipartícula, un antiquark, transmiten esa interacción.

La teoría de la interacción fuerte, llamada QCD, hace predicciones precisas de una propiedad llamada polarizabilidad (en inglés polarizability), el grado en que la forma de los piones puede ser distorsionada. Esta propiedad ha desconcertado a los científicos desde los ochenta, cuando las primeras medidas parecían estar en desacuerdo con la teoría. El resultado presentado hoy está en estrecha consonancia con la 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. "Por eso este resultado, en perfecto acuerdo con la teoría, es muy importante".

"A pesar de las altas energías que se alcanzan en el CERN, el experimento es un gran 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.

Todo lo que vemos en el universo está hecho de partículas elementales llamadas quarks y leptones. Los quarks se mantienen unidos en grupos de tres para construir los ladrillos de los núcleos de los elementos, los protones y 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. Estos piones están hechos de un quark y un antiquark, ambos íntimamente unidos por la fuerza fuerte. Así, su capacidad de deformación, o polarizabilidad, es una medida directa de la fuerza fuerte existente entre los quarks.

Disparar un haz de piones hacia el níquel

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.

"Para un físico, este resultado complementa admirablemente los estudios de las interacciones fundamentales llevados a cabo en el LHC, y es un testimonio de la diversidad y fortaleza del programa de investigación del CERN", dijo su Director General Rolf Heuer.

"Después de todo –añade–, 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".