Agitándose silenciosamente en el corazón de cada átomo del Universo hay un viento arremolinado de partículas que la física anhela comprender.
Ninguna sonda, ningún microscopio y ninguna máquina de rayos X pueden esperar dar sentido al caótico borrón de los engranajes cuánticos zumbando dentro de un átomo, dejando a los físicos teorizar lo mejor que puedan basándose en los restos de las colisiones de alta velocidad dentro de los colisionadores de partículas.
Los investigadores ahora tienen una nueva herramienta que ya les está proporcionando un pequeño vistazo a los protones y neutrones que forman los núcleos de los átomos, una basada en el enredo de partículas producidas cuando los átomos de oro se rozan entre sí a gran velocidad.
Usando el poderoso Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., los científicos han demostrado cómo es posible obtener detalles precisos sobre la disposición de los protones y neutrones del oro usando un tipo de interferencia cuántica nunca antes vista en un experimento. .
“Esta técnica es similar a la forma en que los médicos usan la tomografía por emisión de positrones (PET) para ver qué sucede dentro del cerebro y otras partes del cuerpo”. dice el físico James Daniel Brandenburg, anteriormente investigador de Brookhaven y ahora miembro de la colaboración STAR.
“Pero en este caso, estamos hablando de trazar características en la escala de femtómetros, cuadrillonésimas de metro, del tamaño de un protón individual”.
En términos de libro de texto, la anatomía de un protón se puede describir como un trío de bloques de construcción fundamentales llamados quarks unidos por el intercambio de una partícula portadora de fuerza llamada gluón.
Si nos acercáramos y observáramos esta colaboración de primera mano, no veríamos nada tan bueno. Las partículas y antipartículas aparecen y desaparecen en una espuma hirviente de locura estadística, donde las reglas sobre la distribución de partículas son cualquier cosa menos consistentes.
Poner restricciones a los movimientos y momentos de los quarks y gluones requiere un pensamiento inteligente, pero lo que realmente desean los físicos es evidencia sólida.
Desafortunadamente, simplemente iluminar un protón con una luz no dará como resultado una instantánea de sus partes móviles. Los fotones y los gluones se rigen por reglas muy diferentes, lo que significa que son efectivamente invisibles entre sí.
Sin embargo, hay una laguna. Imbuidas de suficiente energía, las ondas de luz ocasionalmente pueden agitar pares de partículas que se encuentran al borde de la existencia antes de desaparecer nuevamente, entre las que se encuentran los quarks y los antiquarks.
Si esta aparición espontánea ocurriera al alcance del oído del núcleo de un átomo, el parpadeo poltergeist de los quarks opuestos podría mezclarse con las andanadas arremolinadas de gluones y formar temporalmente un conglomerado conocido como partícula rhocual en una fracción de segundo se rompe en un par de partículas cargadas llamadas piones.
Esos pares están formados por un pión positivo, compuesto por un quark up y un antiquark down, y un pión negativo formado por un quark down y un antiquark up.
Rastrear el camino y las propiedades de los piones formados de esta manera podría decirnos algo sobre el nido de avispas en el que nació.
Un par de años atraslos investigadores de RHIC descubrieron que era posible utilizar los campos electromagnéticos que rodean a los átomos de oro que se mueven a altas velocidades como fuente de fotones.
“En ese trabajo anterior, demostramos que esos fotones están polarizados, con su campo eléctrico irradiando hacia afuera desde el centro del ion”. dice El físico de Brookhaven, Zhangbu Xu.
“Y ahora usamos esa herramienta, la luz polarizada, para obtener imágenes efectivas de los núcleos a alta energía”.
Cuando dos átomos de oro apenas evitan chocar mientras giran alrededor del colisionador en direcciones opuestas, los fotones de luz que pasan a través de cada núcleo pueden dar lugar a una partícula rho y, por lo tanto, a pares de piones cargados.
Los físicos midieron los piones expulsados de los núcleos de oro que pasaban y demostraron que efectivamente tenían cargas opuestas. Un análisis de las propiedades ondulatorias de la lluvia de partículas mostró signos de interferencia que se remontaban a la polarización de la luz y apuntaban a algo mucho menos esperado.
En entornos cuánticos típicos aplicados y experimentales, se observa entrelazamiento entre los mismos tipos de partículas: electrones con electrones, fotones con fotones y átomos con átomos.
Los patrones de interferencia observados en el análisis de las partículas producidas en este experimento solo podrían explicarse por el entrelazamiento de partículas no idénticas: un pión cargado negativamente con un pión cargado positivamente.
Aunque lejos de ser una anomalía teórica, está lejos de ser un hecho cotidiano en el laboratorio, lo que equivale a la primera observación experimental de entrelazamiento que involucra partículas diferentes.
Al rastrear los patrones de interferencia enredados hasta los núcleos de oro, los físicos pudieron obtener un retrato bidimensional de su distribución de gluones, proporcionando nuevos conocimientos sobre las estructuras de las partículas nucleares.
“Ahora podemos tomar una foto donde realmente podemos distinguir la densidad de gluones en un ángulo dado y radio,” dice Brandeburgo.
“Las imágenes son tan precisas que incluso podemos comenzar a ver la diferencia entre dónde están los protones y dónde están dispuestos los neutrones dentro de estos grandes núcleos”.
Esta investigación fue publicada en Avances de la ciencia.