Mientras que los físicos nucleares saben que la interacción fuerte es la que mantiene unidas las partículas en el corazón de la materia, todavía tenemos mucho que aprender sobre esta fuerza fundamental. Los resultados publicados a principios de este año en Physical Review D por tres investigadores del Centro de Física Teórica y Computacional en la instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de los EE. UU. nos acercan a la comprensión de una pieza importante del rompecabezas de la interacción fuerte.
Esta pieza se conoce como el mesón sigma. Al igual que los protones y neutrones más conocidos, el sigma está hecho de quarks. Se crea cuando dos partículas basadas en quarks, llamadas piones, colisionan. En esta colisión, los quarks de los piones pueden reconfigurarse brevemente a través de la interacción fuerte para formar el mesón sigma.
La partícula es inestable y es una de las de vida más corta, desintegrándose nuevamente en un par de piones en una fracción de segundo increíblemente pequeña. Esto hace que sea difícil estudiar el mesón sigma utilizando los datos de los experimentos de aceleradores, a pesar de que se cree que juega un papel importante en muchos procesos de física nuclear, incluidas las interacciones entre protones y neutrones.
“El sigma es un tipo raro de larga data”, dijo el autor Jozef Dudek, un científico de planta nombrado conjuntamente en Jefferson Lab y profesor asociado de física en William & Mary. “No pudimos determinar sus propiedades de manera confiable con métodos tradicionales simples”.
Con una masa que es la mitad de la del protón, el mesón sigma es la partícula inestable más ligera involucrada con la fuerza fuerte. Estudiar la interacción fuerte en las escalas más ligeras ayudará a los físicos a comprender cómo esta fuerza nos forma a nosotros y a nuestro mundo en escalas más pesadas.
“Esto es importante para comprender básicamente por qué estamos aquí”, dijo el autor Arkaitz Rodas Bilbao, un científico de planta nombrado conjuntamente en Jefferson Lab y profesor asistente de física en Old Dominion University. “¿Cómo se unen las partículas de las que estamos hechos? ¿Podemos saber todo lo que está sucediendo dentro de cada uno de nosotros al nivel más básico?”
Supercomputación para sigma
Dudek, Rodas Bilbao y el Científico Principal de Planta de Jefferson Lab, Robert Edwards, unieron fuerzas para liderar el trabajo de aprender más sobre el mesón sigma. Sintieron que su mejor oportunidad para describirlo mejor provendría de una herramienta diferente: la supercomputación.
“La idea es confiar en las supercomputadoras para crear experimentos virtuales”, dijo Rodas Bilbao.
Las supercomputadoras permiten a los científicos realizar cálculos complejos más rápido. Dividir los pasos de cálculo entre los miles de computadoras que componen una supercomputadora significa que se pueden realizar muchos pasos a la vez, lo que ahorra tiempo. Una computadora portátil tardaría cientos o miles de años en realizar los cálculos para este proyecto.
“Si quiero estar vivo cuando termine el proyecto, es mejor usar una supercomputadora”, dijo Rodas Bilbao.
Utilizando supercomputadoras en Jefferson Lab y en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, el equipo simuló las reacciones pión-pión necesarias para aprender sobre el mesón sigma. Estos cálculos se basan en la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que describe la interacción fuerte.
QCD no se puede resolver algebraicamente, y cuando se usan supercomputadoras para superar esto, se deben sacrificar algunos principios básicos. En este trabajo, por primera vez, los autores pudieron reintroducir esos principios en forma de restricciones matemáticas llamadas ‘relaciones de dispersión’.
Cálculos colaborativos
Este desafío técnico requirió la experiencia de Rodas Bilbao, quien estudió previamente las relaciones de dispersión y trabajó en el proyecto como investigador postdoctoral en William & Mary. Fue apoyado en este trabajo bajo una subvención de investigación titulada “Espectroscopia de mesones de QCD”. Esta subvención de investigación del DOE fue dirigida por Dudek.
El desafío también requirió la experiencia de Dudek y Edwards en cálculos numéricos de QCD.
Los tres son miembros de la Colaboración del Espectro de Hadrones (HadSpec), un grupo pequeño pero internacional que se originó en Jefferson Lab, y la Colaboración Temática de Hadrones Exóticos (ExoHad), un grupo que estudia partículas exóticas. Este trabajo es un hito de la colaboración ExoHad, y ejemplifica el tipo de relaciones que el grupo quiere formar.
“Es esta idea de que combinas conjuntos de habilidades y trabajas juntos para resolver problemas que ninguno de los dos podría resolver por sí solo”, dijo Dudek, quien es coinvestigador principal de ExoHad. “Tampoco podríamos haber realizado los cálculos sin el lado de SciDAC de las cosas”.
Edwards dirige el proyecto de software patrocinado por el DOE “Física Nuclear Fundamental a la Escala Exa y Más Allá” bajo el programa de Descubrimiento Científico a través de la Computación Avanzada (SciDAC).
“Este esfuerzo nos permite intentar desarrollar herramientas que necesitamos para la computación científica avanzada o, en este caso, la computación de alto rendimiento. Estas herramientas que hemos desarrollado, el software y la infraestructura algorítmica, ahora están realmente en el corazón de nuestros programas en ciencia”, dijo Edwards. “Ha sido a través de este tipo de recursos informáticos que podemos llevar a cabo la ciencia, por lo que ha sido una parte integral de todo nuestro proceso”.
La combinación de técnicas utilizadas en este trabajo podría ampliarse para estudiar partículas misteriosas similares a sigma, como la kappa. Si un pión interactúa con un kaón en lugar de otro pión, puede formar una partícula intermedia conocida como kappa, cuya existencia y propiedades son aún más inciertas que las del sigma.
Este trabajo también revela un camino a seguir para el estudio adicional del sigma, cuya estructura interna sigue siendo misteriosa. Sin embargo, aprender sobre la composición del sigma requerirá cálculos aún más complicados.
“Entonces, el primer paso, que es este, debe ser tan sólido y preciso como sea posible”, dijo Rodas Bilbao.
Una limitación de estos cálculos es el hecho de que les dan a los quarks, y por lo tanto a los piones, más masa de la que tienen en realidad. Esto hizo que los cálculos fueran más prácticos de realizar, pero en trabajos futuros, estas masas deben acercarse más a sus valores verdaderos.
“Eventualmente tienes que poner esos parámetros al valor correcto”, dijo Dudek.
Esto es especialmente cierto porque la investigación del Centro de Teoría de Jefferson Lab informa a los experimentalistas del laboratorio, con quienes los teóricos trabajan estrechamente. En cualquier experimento en el que haya dos piones, se sentirá el efecto del sigma.
“Todo lo que hacemos alimenta el programa experimental”, dijo.
Pero este “primer paso” es un buen comienzo.
Por Chris Patrick
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