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En busca del 99% de la masa de las partículas

Pamela Geraldine Olivo Montaño
31/oct/2012

De manera general, para explicar cómo es que se origina la masa de las partículas se apela al ya famoso mecanismo de Higgs, que se puede visualizar como un medio viscoso a través del cual las partículas se desplazan y van adquiriendo masa.

Sin embargo, hay algo que suele omitirse: el Higgs no es responsable de toda la masa de las partículas. En realidad, lo único que se puede obtener a partir de este mecanismo es el 1% de la masa.

Para profundizar en los mecanismos de los que proviene el resto de la masa, Saúl Sánchez Madrigal, doctor en Física por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, utiliza un modelo denominado Electrodinámica Cuántica en el Plano (QED3, por sus siglas en inglés), que explicó en el Seminario de Estudiantes del 22 de octubre.

Hoy se sabe gracias al Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, que la materia visible está compuesta por protones y neutrones, que a su vez están constituidos por tríos de quarks. Estos están en conjuntos de tres debido a las fuerzas de interacción entre ellos que los mantienen unidos. Además, están acompañados por otra partícula elemental llamada gluón, la mediadora a la que se le atribuye el tipo de interacción fuerte existente entre ellas.


En el Modelo Estándar (ME), las partículas elementales de la materia ordinaria son los electrones, el quark up y el quark down. Triadas de quarks se mantienen unidos para formar protones y neutrones, los cuales conforman el núcleo atómico. Imagen: Scientific American.

Los quarks son, en ese sentido, las partículas más básicas que constituyen a la materia. Por ejemplo, “los quarks up y down, van adquiriendo masa a través del mecanismo de Higgs. Así, la suma de las masas de los tres constituyen a los protones o neutrones”, dijo Sánchez Madrigal. Sin embargo, la suma solamente representa aproximadamente el 1% de su masa total. De manera que la pregunta es inevitable: ¿cómo adquirieren el 99% de la masa restante?

La respuesta ‘sencilla’ es que la masa restante es producto de la energía de los tres quarks de cada protón y neutrón, y de su interacción entre ellos. Los tríos de quarks intentan separarse, pero como no pueden, producen energía (masa) en exceso, casi el 99%.

Sánchez Madrigal intenta profundizar en esa respuesta y explicar las interacciones entre los quarks a partir de la teoría de Cromodinámica Cuántica (QCD), la cual permite describir la interacción fuerte entre quarks (debido a la distancia tan pequeña que hay entre partícula y partícula) a partir de tres posibles estados de color o tres posibles estados de carga eléctrica: rojo, verde y azul (de ahí el nombre de cromodinámica).

Para determinar la Cromodinámica Cuántica, el investigador utiliza dos de sus fenómenos característicos: el Confinamiento, que hace que los quarks permanezcan unidos en función de su carga (o su color), y la Generación Dinámica de Masas, que, justamente, genera la masa debido a las interacciones fuertes entre los quarks.

Lo que intenta, básicamente, es explicar cómo es que las interacciones fuertes entre los quarks pueden producir su energía y, con ello, su masa.

El investigador basa su estudio en las llamadas Ecuaciones de Schwinger-Dyson, utilizadas en la Teoría Cuántica de Campos, que “son comparables con las ecuaciones de Euler–Lagrange de la mecánica clásica”, dice el investigador. Resolverlas permitirá “observar las ecuaciones de movimiento”, entender las interacciones entre los quarks y, en consecuencia, los componentes de la materia.

Y lo hace a través de un modelo ‘de juguete’ denominado Electrodinámica Cuántica en el plano (QED3). Le llama así porque a través de él, el investigador toma sólo algunas secciones de las ecuaciones de Schwinger-Dyson y hace un conjunto simplificado de ecuaciones que ayudan a comprender una teoría completa (en este caso, la QCD).

Con la QED3 se estudian los fenómenos de partículas cargadas eléctricamente (por ejemplo, los electrones) que interactúan con los fotones en el plano (2+1). Esto es útil porque los electrones se comportan como los quarks de la teoría de QCD. De manera que a partir del modelo de juguete, es posible entender el comportamiento de los quarks y sus propiedades de generación de masas y el confinamiento.

La QED3 permite entonces “resolver más fácilmente las ecuaciones e identificar cómo es que se genera la masa dinámicamente sin tener resultados infinitos”, dice Sánchez Madrigal.

Otra de las motivaciones por utilizar el modelo de QED3, se debe a que es utilizado en materia condensada, como son la superconductividad de alta temperatura, y recientemente, en las investigaciones sobre el grafeno.


Sánchez Madrigal durante su ponencia en el Seminario de Estudiantes. Foto: Pedro Zaldívar Sánchez