Físicos logran crear materia a partir de la nada (el vacío cuántico).
- Alice Meraviglia
- 2 days ago
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Los así llamados "Quarks Extraños" detectados rastrean su origen no a otras partículas, sino a la "nada".
Por Clara Moskowitz
La mecánica cuántica pinta un retrato muy extraño de la realidad, uno que incluye conexiones fantasmales entre cosas separadas, incertidumbres inquietantes, y talvez lo más extraño, partículas que espontáneamente surgen del vacío del espacio. Estas partículas llamadas "virtuales" deberían aparecer y cancelarse entre ellas en menos que lo que dura la unidad de tiempo más pequeña, el tiempo de Planck. En algunos casos sus efectos se han podido medir indirectamente. Pero esta vez, y por primera vez, los investigadores han rastreado la evolución de estas partículas estilo "algo de la nada" directamente.
En un estudio publicado hoy en Nature, los físicos del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Long Island, describen como han encontrado pares de partículas subatómicas con una correlación inquietante en la dirección que traen sus respectivos espín (un termino equivalente en algunas formas a rotación, pero cuánticamente todo parecido es solo alegórico). Los espíns en el mundo cuántico pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo, pero los investigadores descubrieron que un tipo concreto de partícula que se ha producido en el colisionador suele aparecer en pares con direcciones de espín coincidentes.
Estos pares, creen ellos, deben ser descendientes directos de grupos de partículas virtuales que espontáneamente surgieron de la nada del vacío cuántico.
"El vacío en la teoría cuántica no es espacio sin nada" dice el físico Dmitri Kharzeev de la Universidad de Stony Brook. "Es un campo lleno de partículas virtuales". Esas partículas son producidas directamente por el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que dice que ciertos pares de propiedades que tienen correlaciones, como la energía y por lo tanto el tiempo de vida de un estado cuántico, no pueden saberse ambas con el mismo nivel de precisión. Si un estado cuántico es muy breve, entonces su energía es incierta, si su energía es conocida con detalle, entonces no se puede saber cuánto tiempo duró.
Este efecto se puede entender mejor con una alegoría (que es parecida pero no lo mismo). Imagina que tomas una fotografía de una pelota de tenis viajando a alta velocidad. Si el obturador de tu cámara está abierto por mucho tiempo (exposición larga), entonces verás no la pelota como un punto sino una raya movida como sabemos cuanto tiempo dura abierto un obturador, podemos ver que en ese tiempo se movió la pelota entre dos lugares y calcular su velocidad, pero como no se ve quieta, no podemos saber la posición exacta de la pelota, que se vea como una raya no nos permite establecer su posición.
Si por otro lado tomas la foto con el obturador abriendo y cerrando rápidamente (corta exposición), entonces verás la pelota muy bien definida. Pero si te pregunto la velocidad, ya no podrás saberla como con la otra foto.
La velocidad / posición de una partícula son uno de esos pares de propiedades que no se pueden saber con exactitud una o la otra. Cuanto mejor sabemos una, la otra se convierte en un blur, y viceversa.
Algo parecido con el vacío cuántico, si sabemos que un estado cuántico dura menos que un tiempo de Planck, entonces su energía debe ser muy grande y como no puede ser cero, sabemos que el espacio debe contener una gran cantidad de energía, y como Einstein nos enseñó, energía y materia son intercambiables (eso quiere decir E = mc^2, o sea que esa energía se puede convertir a momentos en materia en forma de pares de partículas con cargas opuestas que normalmente se atraen por ser opuestas de vuelta y cuando se tocan se cancelan casi instantáneamente, pero muy de vez en cuando sus caminos son interrumpidos por factores externos, no logran volver a juntarse y al hacer eso continúan existiendo en el mundo real. Escapan de un mismo punto de origen, pero como hacen eso, mantienen entre ellas correlaciones porque están entrelazadas. El espín de una por ejemplo será siempre el contrario de la otra.
"Cuando dos partículas colisionan a muy altas energías", dice el físico Kong Tu, uno de los autores del estudio, "esas partículas inyectan energía en el vacío, y esa inyección de energía empuja a las partículas virtuales a veces a separarse."
Utilizando el detector Solenoidal Tracker at RHIC (STAR), los físicos pudieron rastrear este proceso. Sin embargo, los detalles de cómo lo hicieron pueden hacer que nos dé vueltas la cabeza.
Dado que estas nuevas partículas reales se originaron juntas, están entrelazadas, conservando una conexión independientemente de la distancia a la que se encuentren. Por lo tanto, cuando se separan tras la colisión, comparten la misma dirección de giro.
El experimento rastreó pares de «quarks extraños», primos de los quarks «arriba» y «abajo» que componen los protones y los neutrones. Los quarks extraños no son estables por sí mismos, por lo que, cuando los nuevos quarks surgieron, se unieron rápidamente a otros para formar partículas conglomeradas llamadas hiperones lambda. Se trata de versiones exóticas de los protones que contienen un quark «arriba», un quark «abajo» y además un quark extraño, en lugar de los simples dos quarks arriba y uno abajo que tiene normalmente el protón.
Los hiperones lambda por otro lado tampoco son muy estables. Logran existir por 10^-10 segundos (un número decimal con 10 ceros después de la coma antes de llegar a un dígito) y viajan solo unos centímetros dentro del colisionador antes de decaer en partículas más mundanas que el detector RHIC (STAR) puede ver.
Cuanto más rápido viaja un objeto más duro golpea. Dependiendo de su masa, las cosas que se mueven a una velocidad pueden ejercer una fuerza mayor combinando su masa con su velocidad. A esa cantidad se le llama momentum y es literalmente la masa multiplicada por la velocidad. Como la velocidad es rapidez con un vector de dirección, entonces el momento tiene dirección también, y esa dirección del momento de las partículas mundanas del decaimiento nos permite calcular el espín de los hiperones lambda que las crearon. Y el espín del lambda vino también únicamente del espín quark extraño que a su vez lo generó.
Cuando los investigadores observaron sus mediciones, se sorprendieron de lo correlacionadas que estas partículas estaban. Sus espíns literalmente mostraban ser paralelos, dice el coautor Jan Vanek, otro físico de l Universidad de New Hampshire. "Eso nos da la pista de que lo que estamos realmente viendo son pares de quarks extraños encontrados gracias a los hiperones lambda".
Este descubrimiento confirma una predicción de 30 años hecha por Kharzeev y sus colegas de que los pares de partículas virtuales de quarks extraños siempre tienen que tener espíns paralelos por el hecho de haber nacido del vacío cuántico. "Es emocionante porque puedes tener ideas teóricas en tu mente que talvez sean plausibles, pero normalmente no sabes si la naturaleza se va realmente a comportar así o no", dice. "Así que ver que esto finalmente se logró medir en un experimento real es altamente gratificante".
Esta nueva ventana para poder ver las partículas virtuales nos debería ayudar a resolver un misterio grande que hay en la física nuclear: ¿De dónde viene la masa del proton? Los tres quarks que forman un protón contribuyen muy poca masa juntos, apenas un uno por ciento de esa masa, y sin embargo el otro 99% de la masa del protón parece venir de interacciones entre estos quarks reales y enjambres de partículas virtuales en el vacío. "Si podemos rastrear un par de quarks de partículas virtuales a partículas reales, talvez podemos aprender algo sobre como esta maasa se genera con solo que haya esta interacción con el vacío", dice Tu.
El descubrimiento también marca otro gran logro para el RHIC mientras el colisionador se prepara para ser apagado. El viernes será el último día de colisiones, después de una vida de 25 años corriendo. Partes de la máquina se reutilizarán en el próximo Colisionador de Electrones-Iones de Brookhaven, que se planea iniciará funcionamiento a mediados de los 2030's.
