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La cromodinámica cuántica (QCD) y la interacción fuerte entre los quarks y los gluones formó parte de la serie de coloquios realizados por la Fundación Marcos Moshinsky, con la charla a cargo del doctor César Fernández Ramírez, del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM y ganador de la Cátedra Marcos Moshinsky del año 2019.

El doctor por la Universidad Complutense de Madrid inició su presentación con la descripción de la interacción fuerte y la teoría cromodinámica, al mencionar que “las partículas tienen una carga fuerte que llamamos color y que puede ser de tres tipos: rojo, verde y azul. Los quarks y los gluones están confinados en singletes de color, que son los hadrones”. Además, explicó que aunque somos incapaces de detectar directamente a los quarks y gluones debido a su confinamiento, sí es posible observar a los hadrones. Un ejemplo bien conocido de los hadrones es el protón, el cual es considerado “un estado compuesto de tres quarks, cada uno de ellos de un color diferente en una configuración de singlete de color”.

Para resaltar la relevancia de las interacciones fuertes, el investigador que trabajó en el Centro de Física Nuclear y Laboratorio de Ciencias Nucleares del Massachusetts Institute of Technology (MIT) planteó que “una de las preguntas que nos podemos hacer es de dónde proviene la masa que nos compone”. Resulta que el 97% de la masa visible del Universo proviene de la interacción entre quarks y gluones, “lo que significa que, si queremos entender la materia de la que estamos hechos, necesitamos entender QCD; en concreto, necesitamos entender los grados de libertad de los gluones”, mencionó.

Posteriormente, indicó que los hadrones se dividen en dos categorías: los bariones y los mesones. La composición más simple de un mesón singlete de color es la pareja de un quark con su copia de antimateria, un antiquark. La estructura más sencilla de un barión (como el protón) es justamente tres quarks. Como lo mostró, esta clasificación y la descripción de la física de dichos estados fueron hechas por George Zweig y Murray Gell-Mann en los años 60; mientras que, en 1985, Stephen Godfrey y Nathan Isgur publicaron Meson in a relativized quark model with chromodynamics, con lo que consiguieron describir todas las propiedades de los mesones.

“Cuando eres capaz de describir toda la fenomenología de los mesones con un modelo tan sencillo, la pregunta que te tienes que hacer es: ¿por qué este modelo funciona? ¿Hay alguna simetría subyacente que hace que no existan estados de cuatro quarks o seis quarks, por ejemplo?”, refirió el investigador del Departamento de Estructura de la Materia del ICN. En toda teoría cuántica de campos que describe la Naturaleza, lo que no está explícitamente prohibido existe en el Universo. La cromodinámica cuántica como la conocemos permite la existencia de mesones más complejos que no han sido observados. “Esto es desconcertante: o encontramos una simetría, un motivo por el cual los mesones sólo pueden ser quark-antiquark, o tenemos que encontrar mesones que no sean así”, apuntó, refiriéndose a este problema al que se enfrenta la comunidad del área desde el año 85, con la publicación del artículo mencionado.

Esto dio paso a que el investigador con más de 2,300 citas en su haber abordara el tema de los estados exóticos, aquellos “que no pueden ser explicados mediante el modelo de quarks convencional”. En la clasificación de estados exóticos se tiene el subconjunto de los estados con números cuánticos exóticos, es decir, que no se pueden obtener mediante combinaciones de quark-antiquark. Con esto, mostró algunos ejemplos, como la glueball o bola de gluones, la que definió como “el santo grial de la espectroscopía hadrónica, porque es un estado de radiación pura, no tiene quarks, en el cual los gluones forman una especie de estado ligado.” Independientemente de estos estados, agregó el investigador, las posibilidades de singletes de color exóticos son infinitas.

El miembro del SNI nivel II desde el 2020 ejemplificó los retos de esta área con el caso del deuterón, “la molécula hadrónica más simple”. Durante algún tiempo existió la cuestión sobre si es simplemente una molécula hadrónica compuesta por la pareja protón-neutrón o es un estado exótico compacto de seis quarks. “Esta pregunta la respondió Stephen Weinberg en el año 1965 y lo que descubrió, con lo que hoy llamamos el teorema de Weinberg, es que es un estado protón-neutrón”, explicó. Todos los núcleos atómicos son un tipo especial de molécula hadrónica conocida como molécula bariónica por estar compuesta de los bariones protón y neutrón. Sin embargo, existen otras moléculas hadrónicas, compuestas, por ejemplo, de mesones. La mayoría de esas moléculas son estados exóticos y su estudio permite “ir más allá del modelo de quarks convencional”.

Estos antecedentes le permitieron al doctor Fernández Ramírez mencionar cómo es que los investigadores identifican los hadrones, en particular los exóticos. El investigador explicó que, de forma similar a como la espectroscopía atómica permite entender la interacción electromagnética de los átomos, la llamada estroscopía hadrónica permite entender las interacciones en los hadrones. “Pero hay una diferencia fundamental: en física atómica tomamos la ecuación de Schrödinger, la resolvemos, tenemos un potencial y estudiamos los estados ligados, que es la parte discreta del espectro. Sin embargo, la gente que trabajamos con espectroscopía hadrónica, lo hacemos con estados de colisión”, apuntó. Durante las colisiones, en fracciones pequeñísimas de segundo, se forman estados nuevos que son los que se buscan a través de interpretar cuidadosamente las mediciones de la energía del sistema de partículas en colisión.

De manera un poco más técnica, el investigador describió la metodología de estos estudios: “Hacemos un enfoque bottom-up: se comienza por los datos experimentales, se construye un conjunto de amplitudes genéricas que cumplan todas esas simetrías y se extraen la física de los datos: ajustamos los datos, los analizamos y sacamos resultados”.

El doctor Fernández Ramíez destacó los esfuerzos colaborativos que lideran esta investigación a nivel internacional, entre las que destacan las del Jefferson Lab, en Estados Unidos; las del CERN; la colaboración Belle II, en Japón; o las que se harán en el futuro, como PANDA, en la Facility for Antiproton and Ion Research, en Darmstadt, Alemania, y el Electron-Ion Collider, del Brookhaven National Laboratory, en Estados Unidos. En relación a éste último, el investigador del ICN mencionó a la doctora Aurore Courtoy, del Instituto de Física, como su co-firmante en el diseño técnico del correspondiente proyecto.

En su presentación, el investigador detalló cómo el trabajo de las colaboraciones condujo a la convicción de que sí existen estados exóticos y a la consecuente clasificación de estos. El empuje decisivo lo dio el popular hallazgo de lo que parecía una primera señal exótica identificada en Brookhaven en 1997. Rápidamente, otras colaboraciones lograron confirmar y caracterizar muchas más señales, pasando por el crucial reporte de 2003 sobre el descubrimiento y la caracterización de 12 Charmonios, mesones compuestos de un pareja de quarks charm-anticharm. Asimismo, indicó que experimentos realizados en el Large Hadron Collider (LHC) han logrado por sí mismos detectar otros 62 hadrones, entre los que hay señales de estados exóticos. En total, hoy “en la tabla de partículas tenemos más de 300 hadrones, que son un fenómeno emergente de cromodinámica cuántica. Tenemos que entender todos los patrones y estructuras que surgen de ahí para entender QCD y la interacción fuerte”, mencionó.

En la última parte de su charla, el doctor Fernández Ramírez habló de los pentaquarks, que son estados exóticos que carecen de números cuánticos exóticos. Su descubrimiento en 2015 y confirmación en 2019 en el LHC supuso una importante contribución al estudio de los estados exóticos, lo que permitió hallar nuevos tipos de interacciones entre quarks. Su estudio no es directo, pues supone la identificación de todas las posibles interacciones que pueden conducir a la creación y posterior decaimiento de los pentaquarks. Con la finalidad de identificar el modelo específico de las interacciones entre estados exóticos y otros hadrones que reproducen las observaciones, el investigador mencionó que su idea de emplear redes neuronales podría ser prometedora. En este contexto la pregunta a responder es “si se podrían analizar las distintas posibilidades simultáneamente y ver cuál es la explicación más plausible.”

Para concluir, mencionó que el campo de la espectroscopía hadrónica está evolucionando muy rápidamente y ahora mismo “es complejo y hay muchísimas cosas que no entendemos, además de que cada poco tiempo las colaboraciones experimentales nos están dando un nuevo resultado”. Reconoció el esfuerzo teórico y la colaboración entre lo teórico y experimental para trabajar en entender estos fenómenos naturales.

Cabe destacar que, al inicio de su charla, el doctor Fernández Ramírez agradeció la cátedra por el reconocimiento que significa a su trabajo, pero como él lo mencionó, “uno no puede ser exitoso en investigación sin una red de apoyo, tanto de investigadores como institucional”, con especial referencia a la Exotic hadrons topical collaboration y al Instituto al que está suscrito. Asimismo, en la ronda de preguntas al finalizar la charla, el doctor destacó que la Cátedra le ha permitido desarrollar su investigación en el tema de los pentaquarks, lo cual ha fortalecido la integración de los esfuerzos teóricos y experimentales en la colaboración con el Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb); también resaltó el prestigio que la Cátedra le concede, el cual permite progresar en la UNAM y en México.