El Modelo Estándar confirmado: el protón y el neutrón tienen la masa que tienen que tener

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La parte del Modelo Estándar “menos” verificada experimentalmente es la Cromodinámica Cuántica (QCD). Es una generalización de la teoría del electromagnetismo pero mucho más complicada matemáticamente. Los desarrollos matemáticos aproximados (perturbativos basados en diagramas de Feynman) se pueden aplicar sólo en ciertas circunstancias. Las técnicas matemáticas más precisas (no perturbativas) sólo funcionan bien en 2 dimensiones QCD2. En 3 dimensiones calcular cosas tan “sencillas” como la masa de un nucleón (protón o neutrón) son imposibles, ahora mismo, a mano (con lápiz y papel). Un nucleón es un saco de 3 quarks de valencia y cientos, miles o millones de pares quark-antiquark virtuales y de gluones virtuales. La física (estadística) del interior de un nucleón es inabordable sin el uso de los mayores supercomputadores del mundo.

¿Puede calcularse la masa del protón (neutrón) utilizando sólo la QCD? Sí, gracias a la QCD numérica (lattice QCD) como lo han hecho S. Dürr et al. “Ab Initio Determination of Light Hadron Masses,” Science, 322: 1224-1227, 21 November 2008 , como nos cuenta Andreas S. Kronfeld, “The Weight of the World Is Quantum Chromodynamics,” Science, 322: 1198-1199, 21 November 2008 . Por primera vez en la historia la masa de un protón (o un neutrón) ha sido calculada utilizando solamente la QCD en redes (en la que se sustituye el espacio tiempo por una malla de puntos interconectados) y muchos teraflops. La masa del nucleón calculada es de 936 ± 25 ± 22 MeV/c2 que tenemos que comparar con la del neutrón 939 MeV/c2 (el protón pesa más porque su masa tiene una componente electromagnética). El Modelo Estándar ya puede brillar con todo su esplendor.

El protón (y el neutrón y los demás hadrones ligeros) es básicamente energía. La masa de los quarks de valencia que lo contituyen aporta sólo el 5% de su masa total (la masa de estos quarks es desconocida, no puede ser medida pues no pueden ser aislados, pero se sabe que es menor que 6 MeV/c2). Los gluones que también lo constituyen no tienen masa. La masa del protón es energía, pero la fórmula de Einstein nos dice que la energía de confinamiento equivale a una masa para el protón (observada a distancias mayores que el radio del protón, claro). Es curioso, el 99% (en peso) de la materia ordinaria en el universo son nucleones (protones y neutrones) y el 95% de su masa es energía. Es decir, el 95% de la materia ordinaria del universo en realidad es energía. Muchos se refieren a este curioso fenómeno como “masa sin masa.”

El nucleón está formado por quarks arriba (up, u) y abajo (down, d), sin embargo, en el cálculo por supercomputador de su masa ha sido necesario tener en cuenta también los quarks estraños (strange, s). En cálculos anteriores, que no los tenían en cuenta, se observaron errores del 20% en el resultado para la masa. Por supuesto, esos quarks extraños en el cálculo son virtuales. El problema numérico es terrible y requiere de los mayores supercomputadores. Pero los avances en supercomputación no paran y ya ha llegado el día en el que el tan deseado resultado ha sido demostrado.

Simulaciones anteriores mostraron un concepto “primitivo” de confinamiento, concepto que hay que refinar con nuevas simulaciones. El confinamiento no es parte de la QCD sino que se deriva dinámicamente de ella. Una simulación primitiva del mismo la tenéis aquí abajo. Todavía queda mucho para confirmarlo definitivamente.

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PS: Más Información por Adrian Cho, “At Long Last, Physicists Calculate the Proton’s Mass,” ScienceNOW Daily News, 21 November 2008 y Adrian Cho, “Calculating the Incalculable,” Science 300: 1076-1077, 16 May 2003 .

Finalmente, comentaros que “Confirman el peso del mundo,” SINC, es muy flojo (en mi opinión deberían haberlo hecho mucho mejor, un tirón de orejas para SINC).



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 23 noviembre, 2008
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Informática • Noticias
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