Com de fort és la interacció forta que evita que ens desintegrem?

La interacció forta és la responsable de l'estabilitat de la matèria. És a dir, que nosaltres mateixos, amb tot el que ens envolta, no ens desintegrem. Parlem de la més intensa de les quatre interaccions fonamentals de la naturalesa. A distàncies molt xicotetes, és aproximadament 100 vegades més intensa que la força electromagnètica, unes 10⁶ vegades major que la força feble i 10³⁸ vegades més forta que la gravetat que ens subjecta a la Terra i construïx l'univers tal com el coneixem.

La interacció fort es coneix bastant bé, però no amb total exactitud. Per a investigar-la, els físics nuclears han dut a terme centenars d'experiments al llarg dels anys. I les últimes mesures preses en el Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) del CERN han quantificat amb gran precisió la intensitat de la interacció forta a energies cada vegada més altes. De l'orde de 7 teraelectronvoltios, i pujant.

La distància importa

La seua acció sobre les partícules elementals que componen el nucli atòmic, quarks i gluones, depén en gran manera de la distància entre eixes partícules: la seua intensitat augmenta a mesura que se separen en l'espai i s'esvaïx en les distàncies curtes. L'explicació d'esta propietat, coneguda com a “llibertat asimptòtica”, va valdre un premi Nobel en 2004.

La interacció forta és tan intensa que les distàncies necessàries perquè deixe d'operar resulten realment inassolibles. Mai arriba a ser zero, d'ací el terme lliberteu asimptòtica (una corba que s'aproxima indefinidament a una recta o a una altra corba, sense arribar a trobar-se amb ella). I justament per ser “asimptòtica”, encara hui es continua explorant a distàncies cada vegada més curtes.

L'altra cara de la mateixa moneda és el efecte de “confinament”. Quan dos quarks se separen prou entre si, l'energia augmenta prou com per a crear nous quarks que, immediatament, s'associen als primers. Això comporta que estes partícules no es puguen observar de forma aïllada sinó “confinades” en grups de dos o més quarks anomenats hadrons.

Com la corda d'una guitarra

Així com una corda de guitarra més curta produïx notes més agudes (majors freqüències), explorar distàncies més xicotetes entre partícules requerix energies majors, ja que la resolució espacial en física quàntica està limitada per el principi d'incertesa. És per això que, per a estudiar les interaccions a molt curta distància, necessitem colisionadores de molt alta energia. El més potent mai construït, el Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) de Ginebra, continua arreplegant dades cada vegada més precisos sobre el comportament de les interaccions fonamentals. I resulta que, atés que es comparen amb la teoria, s'ajusten a ella amb sorprenent exactitud.

Els dolls d'hadrons

Les mesures experimentals dels processos que tenen lloc en el LHC consistixen, sovint, a determinar la probabilitat que ocórreguen en funció d'unes certes variables.

Exemples d'estes variables serien l'energia o el moment de les partícules que podem observar en els nostres experiments. No obstant això, ja hem vist com els quarks (i gluones) estan afectats per la propietat del “confinament”.

Això implica que quan una d'estes partícules es crea després d'una col·lisió en el LHC, el que s'observa no és una partícula aïllada, sinó un doll que arrossega desenes de partícules distintes que han perdut la capacitat d'interactuar fortament entre elles.

L'estudi de les propietats d'estos dolls d'hadrons (anomenats jets en anglés) proporciona una de les maneres més directes d'estudiar la interacció forta.

El paràmetre més fonamental de la física de partícules

La cromodinámica quàntica, QCD per les seues sigles en anglés, és la teoria que descriu la interacció forta. Conté un paràmetre, la constant d'acoblament αs, que quantifica com d'intensa és esta interacció. És a dir, definix la probabilitat que donades dos partícules a una certa distància, interaccionen fortament donant lloc a unes altres.

Les successives potències d'este paràmetre, possiblement el més fonamental de la física de partícules, permeten descriure matemàticament la teoria amb diferents graus d'aproximació. Cada un d'estos graus, anomenats “ordes perturbativos”, va apilant-se sobre els anteriors com a blocs de pedra en una catedral, permetent-nos acostar-nos de forma cada vegada més precisa a la veritat: les distribucions de probabilitat que podem mesurar experimentalment.

Dos resultats clau en 20 anys de treball

Basant-se en mesures de l'angle entre les adreces de producció de dolls hadrónicos, la col·laboració o experiment ATLES del LHC va publicar en 2023 una de les mesures més precises fins a la data de la constant d'acoblament αs. Esta constant es va determinar en el rang d'energia de diversos teraelectronvoltios. Això equival a escales de distància milers de vegades més xicotetes que el radi d'un protó, entre 0,87 i 0,88 femtómetros (1 femtómetro són 10^-15 m), mentres que els nous resultats ho reduïxen a 0,84 femtómetros.

Una de les claus de l'enorme precisió obtinguda va ser l'ús de prediccions teòriques a tercer orde en cronodinámica quàntica. Perquè estos desenrotllaments es materialitzaren, van ser necessaris vint anys d'intens treball teòric des de la publicació prèvia del càlcul a segon orde. A més, van fer falta desenes de milions d'hores de càlcul paral·lel per computador per a obtindre la predicció. Tal és l'envergadura de la tasca.

Una mica més recentment, a la fi de 2024, un grup de físics de cinc països ha publicat l'estudi de la intensitat de la interacció forta amb major abast fins a la data. En este estudi s'ha determinat la constant d'acoblament a escales d'energia un 70 % més altes que les obtingudes prèviament en la col·laboració ATLES, gràcies a la combinació de diferents mesures experimentals.

Estes mesures, que combinen resultats a tres energies de col·lisió protó-protó en dos experiments distints, quantifiquen la probabilitat de produir dos dolls hadrónicos en diferents condicions. La comparació d'estes dades amb la millor aproximació teòrica de la qual es disposa, a tercer orde, permet determinar la intensitat de la força forta a distàncies tan xicotetes que no havien sigut accessibles fins ara.

Mesurar la interacció forta per a buscar nova Física

Comprendre amb precisió la interacció forta és una de les claus de la física de partícules hui dia i cada vegada som capaces d'aconseguir resultats més precisos en condicions més extremes.

De moment la teoria es continua ajustant amb enorme precisió a les dades experimentals, però en endinsar-nos en territori inexplorat podria deixar en este cas. Si, eventualment, es trobaren desviacions suficientment grans entre la teoria i les dades podríem estar davant el descobriment de noves partícules desconegudes. Estes noves partícules hipotètiques, necessàriament molt pesades, s'acoblarien als quarks i gluones ja coneguts a través de la interacció forta, provocant tals desviacions.

Només realitzant experiments més precisos a energies més altes es podrà continuar llançant llum sobre estes qüestions. Mentres, no ens desintegrarem, ni nosaltres ni l'univers.

Javier Llorente Merino, Investigador en Física de Partícules, Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.