El experimento ATLAS del CERN mide la fuerza nuclear fuerte con una precisión récord

El experimento ATLAS del CERN ha conseguido la medida más exacta de la fuerza nuclear fuerte, con un nivel de precisión del 0,8%, lo que ayudará a comprender mejor el comportamiento de las partículas subatómicas y potenciará la cosmología y la astrofísica.

La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, y es la responsable de mantener unidos a los quarks y los gluones que forman los protones, los neutrones y otras partículas.

Esta fuerza es también la que determina las propiedades de las partículas compuestas por quarks y gluones, como su masa, su carga y su espín.

Sin embargo, medir la fuerza nuclear fuerte no es una tarea fácil, ya que depende de la distancia y el momento entre las partículas que interactúan.

Precisión inédita

Un equipo de científicos del experimento ATLAS del CERN ha logrado ahora medir la fuerza nuclear fuerte con una precisión sin precedentes, utilizando los datos de colisiones de protones registrados por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) entre 2015 y 2018.

El estudio, publicado en arXiv y enviado a la revista Nature Physics, se basa en el análisis de más de 140 millones de eventos en los que se produjeron dos fotones (partículas de luz) con una energía muy alta.

Los fotones son partículas que no tienen carga ni masa, y por lo tanto no interactúan directamente con la fuerza nuclear fuerte.

Fotones virtuales

Sin embargo, cuando dos protones colisionan a altas energías, pueden emitir fotones virtuales, que son fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético.

Estos fotones virtuales pueden convertirse en pares de quarks y antiquarks, que sí sienten la fuerza nuclear fuerte. Estos pares pueden a su vez producir otros fotones reales, que salen del detector con una dirección casi opuesta.

Al medir el ángulo y la energía de estos fotones reales, los investigadores pueden inferir la fuerza nuclear fuerte entre los quarks y los antiquarks que los originaron.

Acoplamiento fuerte

De esta forma, han podido determinar el valor de la constante de acoplamiento de la interacción fuerte, que es un parámetro que mide la intensidad de la interacción entre las partículas que sienten la fuerza nuclear fuerte.

El resultado obtenido por el experimento ATLAS es el más preciso hasta la fecha para este tipo de procesos (ha sido un nivel de precisión del 0,8%), y está conforme con las predicciones teóricas basadas en la cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría que describe la fuerza nuclear fuerte.

Este resultado también es compatible con otras mediciones realizadas por otros experimentos del LHC y otros colisionadores, asegura el CERN en un comunicado.

Profundas implicaciones

La medición de la fuerza nuclear fuerte es importante para comprender mejor el comportamiento de las partículas subatómicas y para probar los límites del modelo estándar, que es el marco teórico que explica las interacciones entre las partículas elementales.

Además, esta medición puede tener implicaciones para otras áreas de la física, como la cosmología o la astrofísica, ya que la fuerza nuclear fuerte juega un papel clave en fenómenos como la formación de los elementos o las explosiones de supernovas.

Referencia

A precise determination of the strong-coupling constant from the recoil of Z bosons with the ATLAS experiment at s√=8 TeV. ATLAS Collaboration. arXiv:2309.12986v1. DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2309.12986