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La comprensión detallada de las partículas subatómicas es un campo de investigación activo que tiene repercusiones importantes en nuestro entendimiento del origen del universo. Asimismo, nos permite describir las propiedades que distinguen a cada tipo partícula y las condiciones necesarias para que estas puedan interaccionar entre sí.

Observar las partículas subatómicas de manera individual es una tarea difícil. Sin embargo, hacer a las partículas colisionar no es una tarea trivial. Para hacer las colisiones más probables es necesario, entre otros muchos factores, conocer a detalle la estructura interna del protón así como las diferentes formas en las que se manifiesta la interacción nuclear fuerte.

De esto habló la profesora Amanda Cooper-Sarkar en su conferencia en línea titulada "The Deep Structure of the Proton: Why it matters for the LHC”, como parte del coloquio que el Instituto de Física de la UNAM celebra mensualmente con charlas impartidas por diferentes investigadores alrededor del mundo.

El trabajo de la profesora emérita de la Universidad de Oxford la ha llevado a formar parte de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y a estudiar en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y potente en el mundo.

La profesora Cooper inició su charla haciendo una aclaración: “Aunque comúnmente se dice que los protones están compuestos por tres tipos de quarks, esto no es más que una mentira o una sobresimplificación. En realidad, los protones se componen de muchos tipos de quarks, así como antiquarks y gluones, todas estas partículas son conocidas colectivamente como partones”.

La doctora en física de partículas por la universidad de Oxford enfatizó la complejidad que puede poseer la estructura de los protones. Para empezar, cada tipo de quark puede variar en su carga fuerte, propiedad conocida como color, y que se ha detectado en la naturaleza en tres formas denominadas rojo, verde y azul. Por otro lado, los quarks y antiquarks, por medio de los gluones, pueden interaccionar entre sí formando grupos de dos o tres partículas, cada uno con sus propiedades particulares. Sin embargo, para fines de mejorar el funcionamiento del LHC, la profesora señaló que los investigadores están más interesados en la distribución del momento dentro de los protones, que se describe con una función conocida como “Parton Distribution Function” (PDF). Lo que los investigadores buscan entender es qué tanto del momento total está tomando cada tipo de quark.

La distribución del momento se puede predecir mediante el estudio de la interacción entre quarks y gluones. Y esta interacción está determinada por la cromodinámica cuántica (QCD), una teoría que se utiliza para describir la interacción fuerte entre partículas y que, por lo tanto, representa una pieza esencial para entender el modelo estándar de la física de partículas.

“¿Y por qué esto es importante para el correcto funcionamiento del LHC?”, preguntó la profesora Cooper después de dar el contexto anterior, a lo que ella misma respondió: “Por supuesto, lo que hacemos en el LHC es colisionar protones (digamos A y B), pero no son los protones los que colisionan directamente, sino uno de los partones de cada partícula”. De modo que la energía involucrada en cada colisión dependerá de la cantidad de momento que llevan los quarks que colisionan y, para que las partículas efectivamente interaccionen, es necesario que su momento y su energía o color tengan cierta correspondencia según lo dictado por la cromodinámica cuántica.

La siguiente parte de la conferencia inició con otra pregunta de la experta en física de partículas: “¿Y qué podemos hacer para entender las propiedades de los partones que conforman al protón?”. Los protones son partículas difíciles de medir, de modo que la profesora aclaró que la respuesta se encuentra en un método más indirecto: mediante la interacción entre protones y leptones (estas últimas, partículas con espín ½ que no experimentan la fuerza nuclear fuerte, como los electrones y los muones). A partir de un análisis teórico-práctico, es posible determinar el intercambio de momento producto de la colisión entre partículas. A su vez, es posible determinar el momento inicial de cada partícula.

Desde la perspectiva de un físico experimental, un electrón chocará con un protón. Por un lado, el electrón saldrá completo del choque, pero el protón no correrá la misma suerte, ya que se partirá en pedazos. Con la ayuda de los detectores podemos conocer las energías del electrón y protón entrante, así como las energías del electrón saliente. Ahora, desde la perspectiva de un físico teórico, tenemos a un electrón intercambiando un bosón virtual con un protón. Ambas perspectivas nos permiten determinar el momento de las partículas involucradas.

“Podemos calcular las propiedades del electrón, lo cual, en realidad, es bastante fácil, pero en cuanto a las propiedades del protón lo que hacemos es parametrizar nuestra ignorancia de lo que está pasando ahí adentro”, explicó la merecedora al Premio y Medalla James Chadwick en 2015 por sus estudios en la dispersión inelástica profunda de leptones, que ha revelado la estructura interna del protón.

Los investigadores han logrado determinar la función PDF de los protones en condiciones de baja energía y han predicho con éxito los cambios en la distribución de partones cuando la energía aumenta a niveles similares a los del LHC. Sin embargo, existe un margen de error importante.

Lo que hacen los investigadores es elegir una parametrización y después usar la QCD para hacer evolucionar los valores en escalas de energía más grandes. No obstante, el problema radica en que, para determinar la función PDF inicial, existen una cantidad inmensa de parámetros y datos que los investigadores pueden usar.

Y no todas las personas que hacen este tipo de trabajo toman las mismas decisiones. En un principio pareciese que, a pesar de las distintas decisiones al parametrizar, la distribución de los partones parece bastante similar. Sin embargo, cuando los investigadores comienzan a escalar los valores, las discrepancias se vuelven más grandes y las predicciones de las colisiones en el LHC más difíciles de determinar. “El modelo estándar no es tan preciso como muchos podrían pensar, al menos en lo que a interacción fuerte se refiere, de modo que ignoramos mucho respecto a la distribución precisa los partones”, explicó.

La profesora, que es parte del experimento ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), terminó su conferencia con una serie de sentencias breves que resumen los logros, el valor y las tareas pendientes respecto a la investigación de la estructura del protón en los últimos cuarenta años. Aquí unos de los puntos:

● Los protones están llenos de partones como los quarks, antiquarks y gluones. ● La QCD se ha establecido como la mejor teoría para describir la interacción nuclear fuerte

● La QCD nos permite medir parámetros como las funciones PDF.

● Existe mucha incertidumbre respecto a las medias de las funciones PDF, las cuales es importante reducir lo más posible

● Se está trabajando en métodos para reducir la incertidumbre de las funciones PDF

● Aún hay mucho que aprender.

Finalmente, la charla terminó con una serie de preguntas y respuestas entre la profesora Cooper y el público asistente.