Un experimento del CERN desvela un comportamiento ​«sorprendente» en el interior de los núcleos atómicos

Un estudio desarrollado en el experimento ALICE del Gran Colisionador de Hadrones del CERN ha demostrado que ya es posible distinguir experimentalmente entre dos explicaciones rivales sobre el comportamiento de los gluones dentro de los núcleos atómicos. En la investigación, publicada en Physical Review Letters, desempeñó un papel fundamental el físico nuclear Daniel Tapia Takaki, profesor de física y astronomía de la Universidad de Kansas.

El trabajo presenta la primera medición multidimensional de la producción fotonuclear incoherente J/ψ en función de la energía de interacción y de la transferencia de momento. Los resultados ofrecen una visión especialmente precisa de la organización de los gluones, las partículas responsables de unir los quarks, en el interior de los núcleos a altas energías.

«Aunque a menudo se describe a los quarks como los componentes fundamentales de la materia, casi toda la masa del universo visible proviene en realidad de la energía transportada por los gluones y de la fuerza fuerte que une a los quarks. Por lo tanto, comprender cómo se comportan los gluones dentro de los núcleos es esencial para comprender cómo la materia adquiere su masa y estructura», afirmó Tapia Takaki.

Para analizar las fluctuaciones de los gluones con una resolución espacial superior a la alcanzada anteriormente, los investigadores recurrieron a la producción fotonuclear incoherente J/ψ. Las mediciones utilizaron datos de la segunda fase del Gran Colisionador de Hadrones, en la que núcleos de plomo circulan muy próximos sin llegar a colisionar directamente.

«En estos encuentros, los intensos campos electromagnéticos que rodean a los núcleos se comportan como haces de fotones de alta energía. Cuando uno de estos fotones impacta contra otro núcleo, puede producir brevemente una partícula llamada J/ψ, cuya producción proporciona una sonda sensible de la estructura subyacente de los gluones», explicó el investigador.

Esta técnica permite estudiar fluctuaciones locales de la densidad de gluones y observar estructuras menores que un protón. Según Tapia Takaki, el método funciona como un microscopio cuya resolución varía mediante la transferencia de momento. ALICE examinó escalas de 0,6, 0,3 y 0,2 femtómetros, hasta alcanzar estructuras de aproximadamente una cuarta parte del tamaño de un protón.

«A estas escalas extraordinarias, observamos evidencia de que los gluones comienzan a comportarse colectivamente, un fenómeno conocido como saturación de gluones», dijo.

El estudio analizó energías fotón-núcleo comprendidas entre 20 y 633 mil millones de electronvoltios. Los científicos comprobaron que, en las escalas espaciales más pequeñas, la producción de partículas J/ψ disminuye significativamente, con una significancia estadística cercana a tres desviaciones estándar.

«Los resultados revelaron un patrón sorprendente», señaló Tapia Takaki. Esta supresión cuestiona que el llamado «sombreado nuclear», basado en la superposición parcial de los gluones dentro del núcleo, pueda explicar por sí solo los resultados.

«En cambio, las observaciones son consistentes con un fenómeno diferente conocido como «saturación de gluones», predicho por la teoría de la cromodinámica cuántica, que describe la fuerza fuerte», concluye Tapia Takaki. «En este régimen, los gluones se agrupan tan densamente que comienzan a interactuar fuertemente entre sí, lo que limita la cantidad que puede existir en una región determinada».