El atemorizante hallazgo sobre los quarks que los físicos pensaron mantener en secreto

CMS del Gran Colisionador de Hadrones. 

Un equipo conformado por dos físicos de las Universidades de Tel Aviv (Israel) y la Universidad de Chicago (EEUU) anunció el descubrimiento de un suceso subatómico tan poderoso que los mismos se preguntaron si era imprudente hacerlo público. El dúo demostró, teóricamente, que dos pequeñísimas partículas subatómicas conocidas como quarks podrían fusionarse en un evento realmente poderoso, y atemorizante.

El resultado fue una partícula subatómica más grande, una segunda partícula restante conocida como el nucleón, y una gran cantidad de energía desparramándose en el universo. Esta explosión de quarks sería análoga subatómica de la fusión nuclear individual, la misma que ocurre en los núcleos de las bombas de hidrógeno. El suceso fue detallado en una publicación de Nature a inicios de este mes.


Esquema de las reacciones exotérmicas a nivel de quarks.

¿Qué son los quarks? ¿Y qué les ocurre al fusionarse?

Son partículas pequeñísimas que usualmente están adheridas unas a otras para formar los neutrones y protones dentro de los átomos. Estas vienen en seis versiones: abajo, arriba, extraño, encantado, cima, y fondo.

Así, los eventos energéticos son medidos en (mega) electronvoltios (MeV). Cuando dos quarks fondo se fusionaron, detallaron los científicos, produjeron un enorme y llamativo 138 MeV. Esto es alrededor de 8 veces más poderoso que la fusión nuclear que ocurre en las bombas de hidrógeno (la explosión de una bomba de hidrógeno real consiste en billones de estos eventos). Las bombas de hidrógeno fusionan pequeñísimos núcleos atómicos conocidos como deuterones y tritones para crear núcleos de helio, junto a la explosión más poderosa del arsenal humano.

Cada una de estas reacciones individuales dentro de las bombas liberan solo cerca de 18 MeV, de acuerdo al Nuclear Weapon Archive, un sitio dedicado a recolectar información sobre armas nucleares. La cifra, claro está, es bastante baja en comparación a los 138 MeV de la fusión de los quarks.

Los autores reconocieron haber pasado un susto al descubrir que aquella reacción era posible. Afortunadamente, las cosas se esclarecieron pronto, y para bien.

Felizmente, esta reacción no sería posible

Pese a que las reacciones de fusión eran poderosas, una sola instancia de fusión por sí misma no lo es. Las bombas de hidrógeno tienen un poder enorme que proviene de una cadena de reacciones —la fusión en cascada de muchos núcleos, todos a la vez.

Los responsables del estudio, determinaron que esta cadena de reacciones no sería posible con quarks fondo, y antes de publicar sus conclusiones, compartieron de forma privada sus percepciones con otros colegas, que estuvieron de acuerdo.

“Si hubiésemos descubierto que esto pudiese tener aplicaciones militares, no lo hubiéramos publicado”, reconocieron los autores del paper.

Para disparar una reacción en cadena, una bomba nuclear necesita un almacén de partículas. Y una importante propiedad de los quarks fondo hace que sea imposible acumularse: estas desaparecen solo un picosegundo (1 × 10–12) después de creadas, o en lo que toma a la luz viajar la mitad de la longitud de un grano de sal. Luego de este período, ellas decaen hasta volverse partículas subatómicas más comunes y menos energéticas, conocidas como un quark arriba.

¿Preocuparnos?

No hay necesidad. Puede ser posible que generar reacciones de fusión singulares de quarks fondo dentro de aceleradores de muchas millas de largo. Pero aun dentro de un acelerador, no se puede apilar una cantidad suficiente de quarks para producir cualquier daño al mundo.

El descubrimiento es fascinante, porque es la primera prueba teórica de que es posible fusionar partículas subatómicas juntas de forma que liberan energía: esto es territorio nuevo en la física de partículas, hecho posible por un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el laboratorio gigante cerca de Ginebra, Suiza.

Cómo se hizo el descubrimiento

En el CERN, las partículas se vuelan en un anillo de 27 kilómetros de largo bajo el suelo y a la velocidad de la luz, antes de colisionar unos con otros. Los científicos usan poderosas computadoras para analizar la información de estas colisiones, y partículas extrañas emergen de estos análisis. En junio, algo especialmente extraño surgió: un barión doblemente encantado, o un primo corpulento del neutrón y el protón, hecho de dos primos de los quarks fondo y cima, conocidos como quarks encantados.

Ahora, los quarks encantados son muy pesados si se comparan con los quarks arriba y abajo, los que forman protones y neutrones. Y cuando las partículas pesadas se unen, estos convierten buena parte de su masa en energía vinculante, y en algunos casos, producen una buena porción de energía restante que escapa al universo.

Cuando dos quarks encantados se fusionan, las partículas se vinculan con una energía de aproximadamente 130 MeV y sueltan 12 MeV en energía restante (unos dos tercios de la energía de la fusión de los deuterones y tritones). Esta fusión encantada fue la primera reacción de partículas a esta escala que por primera vez emitió energía de esta forma, y esto es el motivo del título del estudio, publicado el primero de noviembre.

La aun mayor fusión energética de dos quarks fondo, que se vinculan con una energía de 280 MeV y arrojan 138 MeV cuando se fusionan, es la segunda reacción. Y la más poderosa de las dos descubiertas.

Por el momento, ambas reacciones son teoría y no han sido demostradas en el laboratorio, algo que vendría en el siguiente paso. Se espera que los experimentos para poner en práctica esta reacción empiecen en los próximos dos años.

 

Daniel Meza
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