24/Nov/08

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Está confirmado: La materia es simplemente una fluctuación de vacío

La materia está construida sobre fundamentos esponjosos. Ahora los físicos han confirmado que el material aparentemente sustancial no es en realidad nada más que una fluctuación en el vacío cuántico

Los investigadores simularon la frenética actividad que sucede dentro de protones y neutrones. Estas partículas suministran casi toda la masa de la materia corriente.

Cada protón (o neutrón) está hecho de tres quarks, pero la masa individual de estos quarks sólo suma aproximadamente el 1% de la masa del protón. Entonces, ¿cómo se explica el resto?

La teoría dice que es creado por la fuerza que mantiene a los quarks unidos, denominada la poderosa fuerza nuclear. En términos cuánticos, la poderosa fuerza es llevada por un campo de partículas virtuales llamadas gluones, que aparecen al azar y desaparecen otra vez. La energía de estas fluctuaciones de vacío tiene que ser incluida en la masa total del protón y el neutrón.

Pero ha llevado décadas calcular los verdaderos números. La poderosa fuerza es descrita por las ecuaciones de la cromodinámica cuántica, o QCD, que son demasiado difíciles de resolver en la mayor parte de los casos.

De modo que los físicos han desarrollado un método llamado celosía QCD, que modela un espacio plano y tiempo como una grilla de puntos separados. Este enfoque pixelado permite simular por computadora las complejidades de la poderosa fuerza.

Cálculo de Gnarly

Hasta hace poco, los cálculos de la celosía QCD se concentraban en los gluones virtuales, e ignoraban otro componente importante del vacío: pares de quarks virtuales y antiquarks.

Los pares de quarks-antiquarks pueden surgir y transformar momentáneamente un protón en una partícula diferente, y más exótica. De hecho, el verdadero protón es la suma de todas estas posibilidades que ocurren al mismo tiempo.

Los quarks virtuales hacen los cálculos mucho más complicados, involucrando una matriz de más de 10.000 billones de números, dice Stephan Dürr del John von Neumann Institute para Computación en Jülich, Alemania, quién lideró el equipo.

"No hay una computadora sobre la Tierra que pueda posiblemente almacenar una matriz tan grande en su memoria", dijo Dürr a New Scientist, "de modo que hay un poco de engaño en los valores".

A la hora de la verdad

Algunos grupos han estado averiguando las maneras de manejar estos problemas técnicos, y hace cinco años un equipo liderado por Christine Davies de la Universidad de Glasgow, Reino Unido, logró calcular la masa de una partícula exótica llamada mesón B—c.

Esa partícula sólo contiene dos quarks, y es más simple de simular que el protón de tres quarks. Para abordar protones y neutrones, el equipo de Dürr usó más de un año en la red paralela de computadoras en Jülich, que puede manejar 200 teraflops, o 200 billones de cálculos aritméticos por segundo.

Aún así, tuvieron que adaptar su código para usar la red eficientemente. "Hicimos un enorme esfuerzo para asegurarnos que nuestro código hiciera uso óptimo de la máquina", dice Dürr.

Sin los quarks, las anteriores simulaciones calcularon la masa de un protón con un error aproximado del 10%. Con ellos, Dürr obtiene una cifra dentro del 2% del valor medido por experimentos.

Campo de Higgs

Aunque los físicos esperaban que la teoría coincidiera con el experimento al final, es una marca importante. "Lo importante es mostrar que uno se puede acercar a los experimentos", dice Davies. "Ahora que sabemos que la celosía QCD funciona, queremos hacer los cálculos exactos de las propiedades de partícula, no sólo la masa".

Eso les permitirá a los físicos probar la QCD, y buscar los efectos más allá de la física conocida. Por ahora, el cálculo de Dürr muestra que la QCD describe las partículas basadas en quarks con exactitud, y nos dice que la mayor parte de nuestra masa viene de quarks virtuales y gluones que burbujean en el vacío cuántico.

También se piensa que el campo de Higgs hace una pequeña contribución, dándole masa a los quarks individuales tanto como a los electrones y a algunas otras partículas. El campo de Higgs crea masa del vacío cuántico también, en la forma de bosones virtuales de Higgs. De modo que si el LHC confirma que el Higgs existe, significará que toda realidad es virtual.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard