Cronodinámica cuántica
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Cronodinámica cuántica. Teoría de Gauge que describe la interacción entre quarks y gluones. Los quarks son los fermiones de esta teoría y desempeñan un papel análogo a los electrones y neutrinos del modelo electro débil, los gluones son los Bosones de gauge de la teoría, y desempeñan un papel análogo a los Fotones en la QED.
Sumario
Historia
Los físicos descubrieron este singular cuadro de los Quarks y los Gluones en la década de 1960, y en la década siguiente lo casaron con una ecuación, creando así una teoría denominada cromodinámica cuántica (CDC). El problema es que, si bien la teoría parece cierta, su complejidad matemática es extraordinaria. Ante la tarea de calcular cómo tres livianas partículas producen el corpulento Protón, la CDC no es capaz de dar una respuesta significativa. Los objetos están hechos de átomos y los átomos también son la suma de sus partes: electrones, protones y neutrones. Pero la inmersión en uno de esos protones y neutrones vuelve las cosas muy extrañas. Tres partículas llamadas quarks van y vienen casi a la velocidad de la luz porque de ellas tiran para que vuelvan unas cuerdas interconectadas de partículas llamadas gluones. Curiosamente, la masa del protón surge de la energía de las estirables cuerdas de gluones, ya que los quarks pesan muy poco, y los gluones, nada.
Cromodinámica cuántica
La cromodinámica cuántica es una teoría de Gauge que describe la interacción entre quarks y gluones. Los quarks son los fermiones de esta teoría y desempeñan un papel análogo a los electrones y neutrinos del modelo electro débil, los gluones son los Bosones de gauge de la teoría, y desempeñan un papel análogo a los Fotones en la QED. Los gluones son representables mediante un campo de Yang-Mills cuya simetría interna es el grupo SU(3). Según esta teoría, el carácter de la interacción fuerte está determinado por una simetría especial entre las cargas de color de los quarks. Se conoce a esta simetría como el grupo de gauge SU(3) y los quarks se transforman bajo este grupo como tripletes SU(3) de campos fermiónicos de Dirac. Aunque las expansiones perturbativas eran importantes para el desarrollo de la QCD, esta también predice muchos efectos no perturbativos tales como confinamiento, condensados fermiónicos e Instantones. Un enfoque particular a la QCD, a saber el modelo de red de QCD en el Retículo, ha permitido a los investigadores obtener algunos resultados y cantidades teóricas que eran previamente incalculables.
Comportamiento de los quarks
Para entender por qué los quarks y los gluones se ríen de semejante manera de las matemáticas, hay que recordar cuánta maquinaria matemática interviene en la descripción hasta de partículas con un buen comportamiento. Un humilde electrón, por ejemplo, puede emitir brevemente y absorber a continuación un fotón. Durante su efímera vida, este puede convertirse en un par de partículas, una de Materia, de Antimateria la otra, cada una de las cuales se implica en nuevas acrobacias, y así hasta el infinito. Cada suceso individual acaba rápidamente, pero la mecánica cuántica permite que el Fárrago combinado de esa actividad «virtual» siga indefinidamente. El descubrimiento de los quarks en la década de 1960 lo descabaló todo. Al golpear protones con electrones, se descubrió que el protón tenía partes internas ligadas por una nueva fuerza. Los físicos corrieron a dar con una descripción de esos nuevos componentes básicos y lograron introducir todos los detalles de los quarks y de la «fuerza fuerte» que los liga en una sola y compacta ecuación en 1973. Pero su teoría de la fuerza fuerte, la cromodinámica cuántica, no se comporta de la manera habitual, y tampoco las partículas.
Incertidumbre sobre los quarks
A falta de una tal solución, los físicos de partículas han creado arduas formas indirectas de ofrecer soluciones aproximadas. Algunas infieren la actividad de los quarks experimentalmente, en los colisionadores de partículas, mientras que otras ponen a su servicio los ordenadores más potentes del mundo. Pero estas técnicas de aproximación han discrepado la una de la otra recientemente, y así los físicos se encuentran ahora en la incertidumbre de qué es lo que predice exactamente su teoría y, por lo tanto, en una situación peor para interpretar las señales de nuevas partículas o nuevos y no predichos efectos. «Atormenta y frustra», dice Mark Lancaster, físico de partículas de la Universidad de Manchester. «Sabemos de todas, todas que quarks y gluones interaccionan entre sí, pero no podemos calcular» el resultado.
La predicción por ese equipo de la actividad virtual de los quarks alrededor del mundo discrepaba, sin embargo, de lo inferido a partir de las colisiones de electrones y positrones. Meyer, reciente coautor de un artículo donde repasa los resultados discordantes, dice que hay muchos detalles técnicos de la CDC reticular que no se entienden demasiado bien, por ejemplo cómo hay que saltar desde la granulosa retícula para volver a la sedosidad del espaciotiempo. Están en marcha esfuerzos por determinar las predicciones de la CDC para el muon, del que muchos investigadores creen que podría mostrar el camino hacia partículas aún por descubrir. Mientras, los investigadores inclinados a las matemáticas no pierden del todo las esperanzas de encontrar una estrategia de lápiz y papel para vérselas con la fuerza fuerte, y cosechar así el millón de dólares que ofrece el Instituto Clay de Matemáticas por una deducción rigurosa de la masa de la combinación más ligera posible de quarks y gluones. Con ese propósito, un desesperado balón a la olla por la parte de los teóricos es la herramienta conocida como principio holográfico. La estrategia general consiste en traducir el problema a un espacio matemático abstracto donde ciertos hologramas de quarks sí se pueda separar unos de otros, lo que permite un análisis basado en los diagramas de Feynman. Los intentos simples parecen prometedores, según Tanedo, pero ni uno se ha acercado a la precisión, ganada a pulso, de la CDC sobre retículo. Por ahora, los teóricos seguirán refinando sus herramientas imperfectas y soñando con una maquinaria matemática nueva que dome a los fundamentales pero inseparables quarks. «Sería dar con el Santo grial», dice Tanedo. La CDC «nos ruega solo que nos enteremos de cómo funciona ello en realidad».
Quarks, leptones e interacciones fundamentales
La teoría aceptada en la actualidad para describir los componentes últimos de la materia es el denominado Modelo Estándar. Esta teoría propone un conjunto de 12 partículas elementales o sabores (con sus correspondientes antipartículas), puntuales y sin subestructura conocida hasta los límites explorados en la actualidad, en torno a 10–18 – 10–19 m. Estas partículas interaccionan a través de cuatro fuerzas fundamentales que son mediadas a su vez por un segundo tipo de partículas. Las partículas que forman la materia son fermiones (tienen Espín semientero) y las partículas mediadoras de las fuerzas son bosones (tienen espín entero). La materia ordinaria está constituida por las partículas de la primera familia: los quarks u y d y el electrón y su neutrino asociado. Las otras familias están formadas por partículas con propiedades semejantes a las de la primera, pero mucho más pesadas, y que por lo tanto sólo pueden producirse en procesos de alta energía. Las partículas de las familias segunda y tercera (excepto los neutrinos) son, además, inestables, y se desintegran para terminar solamente con partículas de la primera familia. Tras los estudios de precisión del Modelo Estándar realizados en el acelerador LEP del CERN se sabe que el número de familias en el Modelo Estándar es de tres, es decir, no hay más familias con esta estructura aún por descubrir.
Fuentes
https://es.wikipedia.org/wiki/Cromodin%C3%A1mica_cu%C3%A1ntica
https://www.investigacionyciencia.es/noticias/qu-pasa-en-el-protn-las-matemticas-de-los-quarks-siguen-sin-concordar-con-los-experimentos-18632
http://fisica.ciens.ucv.ve/svf/Documentos/Feiasofi/cromodinamica.pdf
