Para determinar las fracciones de momento del pión, los investigadores calculan todo un "mar" de partículas y cómo interactúan entre sí. Crédito: Shutterstock
Cuando se trata de describir la estructura y composición fundamentales de la materia, entra en juego el campo de investigación de la cromodinámica cuántica (QCD). Con la ayuda de la QCD, la interacción fuerte -una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física- entre las partículas elementales de quarks y gluones puede describirse en los hadrones. Los hadrones son partículas subatómicas unidas por la interacción fuerte. Los ejemplos más conocidos son los neutrones y protones (llamados bariones), y el menos conocido pión (un llamado mesón) también es un hadrón. "En una primera aproximación, los piones son las partículas impulsoras de la interacción fuerte", afirma el físico Urs Wenger, profesor del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Berna.

El pión aparece sólo fugazmente en los experimentos de alta energía, por ejemplo en la dispersión de protones por núcleos pesados o en la colisión de protones. A pesar de su importante contribución en los experimentos, la estructura del pión ha sido difícil de estudiar hasta ahora. Por ello, se han previsto nuevos experimentos, pero la comprensión de la física de altas energías depende de las descripciones teóricas. Debido a las fuerzas fuertes que se estudian, así como a las pequeñas masas de las partículas y a los complejos algoritmos, estas descripciones teóricas sólo pueden lograrse con la ayuda de simulaciones informáticas realizadas en potentes superordenadores como Piz Daint.

Wenger, junto con otros investigadores de Suiza, Alemania y Chipre, hizo precisamente eso, y ahora han conseguido proporcionar una descripción de este tipo para las fracciones de momento de los quarks y gluones en el pión. El estudio, publicado recientemente en Physical Review Letters, es el resultado de una larga colaboración de investigación.

Un mar de partículas

Un quark con una determinada fracción de momento en el pión puede determinarse teóricamente mediante la llamada función de distribución de protones (PDF). "Sin embargo, utilizando la PDF, sólo puedo afirmar que con cierta probabilidad hay un quark up con un determinado momento en el pión", dice Karl Jansen del DESY-Zeuthen y coautor del estudio.

Ahora, para poder determinar las fracciones de momento reales de los quarks y gluones en el pión, los investigadores deben calcular todo un "mar" de partículas y cómo interactúan entre sí utilizando la teoría de celosía de la cromodinámica cuántica (QCD de celosía). Este vasto mar contiene los bloques de construcción de quarks del pión, conocidos como quarks de valencia; las fracciones virtuales de quarks de vida corta (quarks marinos) que se producen por las fuerzas de los gluones que actúan en el campo cuántico; y las llamadas contribuciones no conectadas, en las que los quarks interactúan exclusivamente a través de los gluones.

Debido a la complejidad de los cálculos del "mar de partículas", el camino hasta los resultados, ahora disponibles, fue largo y minucioso. Durante los últimos cuatro años, los investigadores desarrollaron conjuntos de las llamadas configuraciones de gluones en el marco de la Colaboración de Masa Retorcida Extendida, en los que tuvieron en cuenta los gluones y los cuatro tipos de quarks (sabores) que componen el pión y otros hadrones. Los piones están formados por dos sabores de quarks (up- y down-quarks) en diferentes combinaciones. En total, hay seis sabores de quarks diferentes. Además de los quarks up y down, los investigadores también calcularon las fracciones de momento de los quarks extraños y charm. "Para completar la imagen, necesitamos incluir todas las contribuciones en los cálculos y simulaciones, toda la dinámica entre todas las partículas incluyendo todas las fluctuaciones cuánticas", dice Wenger.

"Cada partícula tiene su propia física, y al incluir cuatro sabores de quarks en la simulación, tenemos una gran oportunidad de poder calcular las propiedades de otras partículas compuestas por estos quarks a partir de la QCD y compararlas con el experimento", añade Jansen. Esto no sólo nos permite entender los experimentos, sino también aprender algo sobre las partículas".

Sin acciones ocultas

Los conjuntos de configuraciones con sus algoritmos mejorados, junto con el alto rendimiento informático de "Piz Daint", permitieron simular las fracciones de momento de los quarks y gluones en el pión. El hecho de que las fracciones de momento determinadas de los cuatro quarks y del gluón sumaran un valor de 1 -es decir, el 100 por ciento- dentro de los errores estadísticos alcanzados demostró que los resultados obtenidos eran correctos. "Esto nos demuestra que hemos captado todos los componentes importantes, que la teoría es correcta y que no hay componentes ocultos", dice Wenger.

Para el éxito de los cálculos fue crucial que los investigadores utilizaran los valores físicos de las masas de los quarks. Sin embargo, esto sólo es posible desde hace unos años, ya que los cálculos con masas reales son muy complejos y exigentes. Otro reto para los investigadores fue determinar una señal estadísticamente significativa para las contribuciones no conectadas de los quarks y gluones marinos. Esto se debe, según Wenger, a que los efectos cuánticos entre los quarks y los gluones generan tanto ruido en la simulación que no habría sido posible detectar una señal clara. Sin embargo, como los investigadores se beneficiaron de mejores algoritmos, de un gran rendimiento informático y realizaron sus cálculos con valores reales de las masas de los quarks, pudieron reducir tanto los errores estadísticos como los sistemáticos del cálculo y obtuvieron la señal esperada.

Para los resultados actuales, los investigadores utilizaron un determinado espaciado de celosía en la QCD de celosía. Sin embargo, esto supone automáticamente un error porque estamos en una red discreta y no en el continuo en el que vivimos, admite Jansen. Para poder extrapolar al continuo, el espaciado de la red debe acercarse a cero. Pero cuanto más pequeña es la distancia, más complejos se vuelven los cálculos, lo que supone una carga para las capacidades. No obstante, los investigadores han calculado espaciamientos de rejilla aún más pequeños que serán evaluados. Mientras tanto, los investigadores subrayan que los hallazgos ahora disponibles ya ayudan a comprender mejor los resultados de los nuevos experimentos, así como las partículas que participan en ellos.


Más información: Constantia Alexandrou et al, Quark and Gluon Momentum Fractions in the Pion from Nf=2+1+1 Lattice QCD, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.252001
Crédito: Swiss National Supercomputing Centre