¿Qué se sabe sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo?

Dibujo20130129 ratio gluons lead to deuterium - theoretical models

Cuando no hay experimentos específicos y hay muchas teorías diferentes con resultados dispersos, debemos afirmar que no sabemos (casi) nada, y si al combinarlos la incertidumbre ronda el 100% debemos afirmar que no sabemos nada de nada. Esta figura ilustra muy bien lo poco que sabemos sobre la distribución de los gluones dentro de un núcleo pesado. Muestra siete estimaciones teóricas del radio “gluónico” de un núcleo de plomo (nDS (NLO), HKM, Sarcevic, EKS98, Armesto, FGS y HIJING). Cada modelo teórico ofrece un resultado diferente (la región de interés está marcada con la flecha roja). Aún no hay medidas experimentales, por lo que podemos afirmar sin rubor que no se sabe nada sobre los gluones dentro de un núcleo de plomo. ¡Nada de nada! Obviamente, no estarán de acuerdo conmigo los que han desarrollado estos modelos teóricos que afirmarán que el suyo es el “correcto,” pero para todo físico una incertidumbre del 100% equivale a no saber nada. Me he enterado gracias a Rolf Ent (Jefferson Lab), “Probing the Quark Sea and Gluons: the Electron-Ion Collider Project,” Wine & Cheese Seminar (Joint Experimental-Theoretical Seminar), Fermilab, 11 Jan 2013 [slides]. Su charla reivindica la necesidad de un colisionador de electrones (polarizados) contra iones pesados (Electron-Ion Collider, EIC) que estudie la materia nuclear. Más info sobre su diseño en S. Abeyratne et al., “Science Requirements and Conceptual Design for a Polarized Medium Energy Electron-Ion Collider at Jefferson Lab,” JLAB-ACC-12-1619, arXiv:1209.0757. La construcción se debería iniciar en 2019 y acabar en 2024. Con lo que la toma de datos se realizará a partir de 2025 (si se cumplen todos los plazos).

Dibujo20130129 proton - rapid acquisition of mass due to effect gluon cloud

La imagen naïve de un protón como tres quarks de valencia (uud) es muy poco realista porque desprecia el efecto de los gluones, que tienen suficiente energía para formar multitud de pares quark-antiquark virtuales. Un modelo más correcto del protón en QCD es uud + uu + dd + ss + … (el subrayado para los antiquarks). Los físicos nucleares quieren saber cómo la QCD explica la masa, la forma y el espín del protón y del neutrón. La suma de las masas de los quarks de valencia M(up) + M(up) + M(down) ~ 10 MeV << M(proton), por lo que gran parte de la masa del protón es debida a los gluones (de manera naïve podemos decir que el 99% de la masa del protón es debida a los gluones, pero teniendo en cuenta la masa de los quarks virtuales, cuyo origen también está relacionado con el mecanismo de Higgs, el valor se reduce a poco más del 95%, aunque el valor exacto no es conocido aún). En un núcleo pesado, como las masas del neutrón y el protón son casi idénticas, se puede afirmar que la contribución de los quarks es despreciable y que el comportamiento está controlado por los gluones. Sin embargo, como nos recuerda Rolf Ent en su charla, sabemos muy poco de la física de los gluones dentro de los núcleos pesados, tan poco, que él lo califica como nada de nada. La verdad, yo nunca hubiera sido tan rotundo.

Las colisiones entre iones de plomo y entre protones e iones de plomo en el LHC del CERN, así como las colisiones entre iones de oro en el RHIC (que ahora tiene importantes problemas de financiación), nos permiten explorar un régimen de energía y momento para la física de los gluones que está alejado del necesario para explorar el interior de dichos iones a baja energía, es decir, en los núcleos de los átomos de plomo de los objetos que nos rodean (que contengan plomo). Extrapolar a baja energía la física que se está observando a alta energía requiere modelos teóricos. Como la cromodinámica cuántica (QCD) es una teoría muy complicada, estos modelos asumen ciertas hipótesis. El resultado es que diferentes modelos describen la física de los gluones en los átomos de plomo a baja energía de forma contradictoria entre sí y con grandes desviaciones. Muchos físicos están muy preocupados por la física a la escala de Planck y obvian que la física a la escala de la interacción fuerte aún guarda muchísimos secretos.

Por cierto, hay ciertas anomalías entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas de la QCD que hacen que algunos físicos aún duden de si la QCD es la descripción definitiva de la interacción fuerte. Nos las describen con bastante detalle Stanley J. Brodsky, Guy de Téramond,Marek Karliner, “Puzzles in Hadronic Physics and Novel Quantum Chromodynamics Phenomenology,” Annual Review of Nuclear and Particle Science 62: 1-35, Nov. 2012 [copia gratis en pdf en SLAC]. Recomiendo a todos los físicos jóvenes que se lean este artículo. Porque quizás el futuro de la física se encuentre debajo de la alfombra, donde nadie mira.

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