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La interacción nuclear fuerte y la simplicidad en un juego del escondite

El trabajo experimental y teórico de miles de físicos durante muchos años ha generado una importante cantidad de información, que ha revelado la simplicidad relativa, en cuanto a la naturaleza fundamental de nuestro universo. Ese trabajo continua con enfoques simplificados para ayudarnos a entender uno de los enigmas pendientes.

Investigación fundamental

Todo lo que conocemos está compuesto por solo doce partículas elementales de la materia, cuyas interacciones se rigen por cuatro fuerzas fundamentales, que comprenden la fuerza electromagnética, la fuerza gravitacional, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. Todas funcionan a diversas distancias y tienen fuerzas diferentes. En las distancias muy cortas entre partículas subatómicas, predomina la interacción nuclear fuerte y débil. La interacción nuclear fuerte tiene una enorme importancia para nuestra descripción del mundo cuántico, ya que es el «pegamento» que mantiene unidos a los componentes elementales en el núcleo de un átomo. Sin embargo, describirla ha supuesto un reto. El proyecto AFFINITY, financiado con fondos europeos, asumió dicho reto. Con el apoyo del programa de Acciones Marie Skłodowska-Curie, el investigador Lorenzo Bianchi de la Universidad Queen Mary de Londres potenció significativamente las descripciones de regímenes fuertemente acoplados.

Historia de dos acoplamientos

La teoría cuántica de campos (QFT, por sus siglas en inglés) es el marco conceptual y matemático de la física de las partículas elementales contemporánea. El reciente descubrimiento de una dualidad entre dos QFT proporcionó un vínculo entre los regímenes débilmente y fuertemente acoplados. Según Bianchi: «La denominada correspondencia anti-de Sitter/teoría de campo conformes (AdS/CFT), o la dualidad gauge/gravedad, implica que las técnicas ordinarias para estudiar la gravedad en acoplamientos débiles se puede usar para acceder a la QFT en el régimen de interacción fuerte». Bianchi se propuso aprovechar esta «herramienta» con la ayuda de factores de forma que describen la producción o la aniquilación de las partículas elementales. Ofrecen un vínculo entre la observación y la teoría matemática.

Descubrir relaciones ocultas desbloquea la simplificación

La teoría de perturbaciones desempeña un papel importante en la mecánica cuántica. El enfoque perturbativo sobre el acoplamiento en la QFT se basa en la idea de que resulta sencillo computar resultados en el acoplamiento cero (interacción de partículas o perturbaciones tan pequeñas que pueden ignorarse). A media que aumenta el acoplamiento, se pueden calcular resultados de orden superior en la perturbación con cada vez más precisión, pero con una creciente complejidad. En el régimen no perturbativo, las cosas se vuelven más complicadas. La cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés) es la QFT de las interacciones fuertes y el régimen no perturbativo de la QCD es extremadamente difícil de acceder. Las simetrías ocultas pueden ser la clave. «A menudo, en la física de partículas los pasos intermedios de un cálculo son mucho más complicados que el resultado final. Las simetrías ocultas ofrecen simplificaciones llamativas, nos permiten superar dicha dificultad mediante la organización de nuestros cálculo de forma eficiente». AFFINITY recurrió a la QFT y compartió algunas propiedades con la QCD, pero con una simetría mejorada para simplificar el entendimiento de la interacción nuclear fuerte.

Resultados revolucionarios en la teoría de perturbaciones

El primer artículo científico fundamental de Bianchi identificó la presencia de un simetría oculta (denominada simetría conforme dual) en la estructura perturbativa de los factores de forma. La segunda publicación ofreció una fórmula para obtener recurrentemente cada vez más órdenes en la expansión perturbativa de los factores de forma para pequeños valores del acoplamiento, un resultado extremadamente importante en lo relativo tanto a la teoría como a la práctica. Para concluir, afirma: «La simplicidad de las leyes fundamentales de la naturaleza pueden estar ocultas en una fórmula matemática alternativa. Nuestro objetivo como físicos teóricos es encontrar una descripción que haga que esta simplicidad sea evidente y que, a su vez, concuerde con las pruebas experimentales. Como es sabido, Einstein dijo que Dios no juega los dados. Sin embargo, debe jugar al escondite». Bianchi nos está ayudando a encontrar nuestro camino.

Palabras clave

AFFINITY, QFT, interacción nuclear fuerte, perturbación, simetría, factor de forma, QCD, teoría cuántica de campos, cromodinámica cuántica, correspondencia AdS/CFT

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