Gluones y el origen de la masa

La materia ordinaria está compuesta de átomos, que como sabemos se componen de un núcleo pesado y una «nube» de ligeros electrones que orbitan a su alrededor. Sin embargo, la física cuántica nos enseña que la posición de cada uno de estas partículas no está totalmente definida, sino que solamente existe una nube de probabilidades (las funciones de onda) que dice donde es más probable encontrar a un electrón, por ejemplo.

Históricamente, la teoría cuántica se desarrolló a principios del siglo XX para el electrón, partícula que por estar en la parte «superficial» del átomo es más fácil de «arrancar» y de hecho está involucrado en todos los procesos químicos, tanto los artificiales como los que permiten la vida.

Desentrañar todos los secretos del núcleo llevó bastante más tiempo, debido a las enormes energías necesarias para romperlos, lo que ya nos dice que algo muy especial y distinto a la física cotidiana está involucrado para mantener los núcleos unidos. Y aún más tiempo llevó entender que en realidad lo que antes se creían partículas elementales del nucleo (protones y neutrones), están a su vez formados por otras entidades, llamadas quarks.

Se conocen seis tipos de quarks, con nombres en inglés: up, down, charm, strange, top y bottom. Evidentemente, los nombres son bastante arbitrarios y tienen relación con nuevos tipos de «carga» más allá de la clásica carga eléctrica. Por ejemplo, cierto tipo de mesón tiene una propiedad que se llamó encanto (charmness), así que al quark que le transfiere esa propiedad se le llamó encanto (charm).

Volviendo al núcleo atómico, tenemos que los protones están formados por tres quarks, dos up y uno down (uud), tan fuertemente unidos que se necesitan energías enormes para separarlos, o tan siquiera revelar su existencia (lo que se ha hecho experimentalmente sin ningún tipo de dudas).

La teoría que explica este tipo de interacciones dentro del protón es la cromodinámica cuántica (QCD, de sus siglas en inglés), que modela como los quarks se intercambian gluones, siendo estas últimas unas partículas que teóricamente ejercen la famosa interacción fuerte y mantienen unidos los quarks.

En una serie de artículos (arxiv) comenzados a final de 2008, un equipo internacional de científicos publicó lo que se puede considerar uno de los avances de la cuántica más importante en casi 30 años: la determinación mediante puros cálculos matemáticos de la masa de varias partículas fundamentales. Es más, según el modelo teórico actual, esta masa no es más que nuestra percepción de la enorme energía de interacción del campo de gluones dentro de las partículas elementales, mediante el famoso factor de equivalencia entre masa y energía E=mc².

Estas interacciones se pueden visualizar mediante complejas simulaciones numéricas de rejillas 4-dimensionales, como en los dos vídeos que muestro abajo. En ambos casos se simula un espacio de 2,4 x 2,4 x 3,6 fm (femtómetros), representando la densidad de acción (action density) y la densidad de carga (topological charge density) del campo de gluones en las imágenes de arriba y abajo, respectivamente.

Créditos de las imágenes:

• Charla de recepción del premio nobel de Física de 2004. Animaciones.