Física de Altas Energías: Retículo hep-lat

Dos actores en el mismo escenario. Uno es el fermión, caprichoso y exigente, difícil de hacer que siga las reglas del simulador cuántico. El otro es el bosón, dócil y sin pretensiones, dispuesto a ocupar cualquier lugar. El director espera que el público no note el cambio.

Una cuerda tensa entre dos quarks no se rompe al instante, como una goma elástica. Primero vibra, aparecen nodos en ella, y solo después se rompe, si es que se rompe.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

La materia es como una casa. En algunas habitaciones reina el orden estricto de un cristal, donde cada átomo está en su lugar. En otras, el caos del helio superfluido, donde los átomos se olvidan de sus vecinos. Un superconductor, según John Bardeen, es una sala de estar perfecta sin puertas: al campo magnético no se le deja entrar.

La expansión del universo es como una pista de baile que se ensancha. Durante décadas, los físicos asumieron que más estiramiento generaría más partículas, como si la pista generara espontáneamente nuevos bailarines. Pero esos modelos ignoraban un hecho obvio: los bailarines a veces se toman de los brazos.

Los neutrinos son las partículas conocidas más esquivas. Cada segundo, billones de neutrinos del Sol atraviesan tu cuerpo sin que lo notes: apenas interactúan con la materia. Para atrapar al menos uno, los físicos construyen detectores gigantescos: piscinas de agua o argón líquido en las profundidades de la Tierra.

El agua se congela a cero y hierve a cien grados. La materia hecha de quarks y gluones también tiene fronteras entre sus estados, solo que en lugar de un termómetro aquí la temperatura se mide en millones de electronvoltios. Una de esas fronteras es la línea donde la sopa de quarks deja de ser sopa y se convierte en protones y neutrones ordinarios.

El haz de electrones golpea el protón como una bola de billar a otra. Pero entre ellos no hay vacío: las partículas alcanzan a intercambiarse fotones virtuales y bosones Z, como jugadores que se pasan el balón por la espalda.

Una computadora cuántica de iones atrapados hizo las veces de un pequeño universo. En él, las partículas no solo se movían, sino que se tejían en nudos que cambian sus propiedades al intercambiar posiciones. Estos nudos se llaman anyones de Fibonacci: no son partículas ordinarias, sino más bien vórtices en el tejido del espacio.

El mesón fi es una partícula que vive solo un instante, pero puede adherirse por un breve tiempo a protones y neutrones en el núcleo atómico. Los físicos estudiaron qué sucede si un mesón así se encuentra dentro de núcleos ligeros de helio e hidrógeno.

La luz y la materia en el mundo diminuto siguen leyes difíciles de calcular incluso con supercomputadoras. Los físicos construyen 'simuladores cuánticos' especiales: instalaciones donde átomos fríos hacen el papel de partículas y campos.

Un protón ordinario está formado por tres quarks, como un taburete de tres patas. Pero la naturaleza no prohíbe ensamblar también una 'butaca' con cuatro quarks, si dos de ellos son pesados quarks encantados y dos son ligeros.

El protón no es una bolita sólida. En su interior hierve una mezcla de quarks y gluones. Los gluones son las partículas que pegan los quarks, como el pegamento une las maderas. La pregunta es: ¿cuánto "peso" del protón corresponde a este pegamento? Los físicos lo han calculado en una computadora, dividiendo el espacio y el tiempo en una cuadrícula fina.

Dentro del protón, los quarks se atraen mediante gluones, como si estuvieran unidos por resortes. Si sueltas un quark, el resorte se estira y se rompe, generando un quark nuevo. Así funciona la interacción fuerte, y calcularla en tiempo real con una computadora ordinaria es casi imposible: hay demasiadas posibilidades y todas están entrelazadas.

El protón no es una esfera lisa, sino una maraña de quarks y gluones que se mueven constantemente e intercambian energía. No se puede saber directamente cómo se distribuyen en su interior la energía, la presión y el espín: las mediciones solo proporcionan puntos escasos y ruidosos.

Una piedra pesada cae en un estanque y por el agua se extienden ondas con un patrón especial: por él se puede saber qué se oculta bajo la superficie. Así, aproximadamente, estudian los físicos las desintegraciones de partículas: transformaciones raras en las que una partícula pesada se convierte de repente en una ligera, emitiendo luz o un par de partículas cargadas.

Dentro de cada protón y neutrón bulle un trabajo invisible: los gluones, partículas portadoras de la interacción fuerte, pegan los quarks en un todo unificado. Este campo se puede comparar con bandas de goma que impiden que los quarks se separen.

El agua hierve a cien grados en una tetera, pero si se comprime fuertemente, se comporta de otra manera. De forma similar, los quarks y los gluones —los ladrillos que forman protones y neutrones— cambian sus propiedades en un campo magnético intenso.

El muón se parece al electrón, solo que es 200 veces más pesado y vive dos millonésimas de segundo. Su momento magnético —cómo responde la partícula a un campo magnético— se ha medido con una precisión fantástica. Pero el valor medido es un poquito mayor de lo que predice la teoría.

Las partículas pesadas que los físicos llaman bariones se parecen a pequeñas familias de tres quarks. Los bariones ordinarios son los protones y neutrones que componen todo lo que nos rodea. Pero también hay parientes exóticos: en lugar de quarks ligeros, albergan quarks encantados o quarks fondo, que son pesados y de vida efímera.

Si colocamos un kaón en un campo eléctrico, se estira ligeramente, como un globo que frotamos con lana. Esta respuesta —la polarizabilidad eléctrica— indica cuán rígida es la estructura interna de la partícula. Para el kaón cargado se ha medido por primera vez, y el número es este: alrededor de una diezmilésima parte del volumen que ocupa un protón.

Para entender cómo surgió el Universo a partir del Big Bang, los físicos recurren a la idea de expansión de Georges Lemaître, apoyada en las leyes de Hendrik Lorentz.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

El agua hierve en una cacerola y las burbujas de vapor no aparecen en cualquier lugar — se adhieren preferentemente a rayones o partículas de polvo en el fondo.

Un cálculo cuántico a veces se parece a un intérprete que se distrae con cada crujido en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. En física, ese «crujido» se llama problema del signo: surge cuando las probabilidades en las fórmulas se vuelven negativas o complejas, y las simulaciones informáticas habituales empiezan a fallar.

En el núcleo ardiente de una estrella, dos núcleos de helio se acercan como dos bailarines en un escenario abarrotado. Su danza es la dispersión alfa, la base de la combustión estelar de helio. De la fluidez de su giro depende la rapidez con que la estrella quema su combustible. Antes, esta danza se describía de forma simplificada.

La carga eléctrica no es como un número grabado en piedra. En el vacío que rodea a cualquier partícula cargada, constantemente se crean y aniquilan pares de partícula-antipartícula, algo así como la espuma en una copa de champán.

El neutrón es una de las partículas más neutras de la naturaleza. Pero si se añade un parámetro especial a las leyes de la física (llamado término theta del modelo estándar), dentro del neutrón aparece una diminuta asimetría de carga. Un extremo se vuelve ligeramente positivo, el otro ligeramente negativo.

El protón no es una bolita sólida, sino una diminuta prisión. Dentro están encerrados tres quarks, y el campo de gluones les impide escapar: algo así como hilos invisibles que se vuelven más fuertes cuando los quarks intentan separarse.

Una balanza capaz de pesar lo invisible: así funciona la relación de desintegraciones de los mesones ligeros (pión y kaón) en electrones y muones. Si la naturaleza obedece las mismas reglas para todas las generaciones de partículas, los platillos de esta balanza marcan un número estrictamente definido. Pero si en algún lugar se esconde una fuerza desconocida, la aguja temblará.

Un ordenador cuántico normalmente se parece a una cadena de montaje: las operaciones van una tras otra y cada error se acumula. En el nuevo trabajo, los físicos probaron un camino diferente: una arquitectura donde el cálculo surge del propio proceso de medición. Tomaron 56 iones en una trampa y tejieron con ellos una nube tridimensional de partículas entrelazadas.

El hielo común se convierte en agua a cero grados. Y la materia a densidad nuclear —el plasma de quarks y gluones— experimenta algo parecido a unos 155 MeV (aproximadamente dos billones de grados). Solo que aquí no se funde una red cristalina, sino el llamado condensado de quarks: un mar de vacío que da masa a las partículas.

Los quarks, los bloques de construcción de protones y neutrones, normalmente se agrupan en pares o tríos. Pero a veces forman combinaciones más grandes e inestables que viven fracciones diminutas de segundo.

Un intérprete que antes captaba solo fragmentos de frases ahora escucha toda la conversación. De manera similar, los físicos que estudian las interacciones fuertes no habían podido calcular cómo responden dos partículas a un impacto de luz cuando no forman un núcleo estable.