Los físicos de la Colaboración ALICE (A Large Ion Collider Experiment) en el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), han desarrollado una nueva técnica que abre la puerta a estudios de la dinámica de la Fuerza Nuclear Fuerte entre hadrones inestables.

La Fuerza Nuclear Fuerte, también llamada «interacción fuerte», es una de las cuatro fuerzas fundamentales que el modelo estándar de la física de partículas establece para explicar las fuerzas entre las partículas conocidas.

Los hadrones son partículas compuestas, formadas por dos o tres quarks unidos por la Fuerza Nuclear Fuerte, que está mediada por gluones.

Esta Fuerza también actúa entre hadrones, uniendo nucleones (protones y neutrones) dentro de los núcleos atómicos.

Uno de los mayores desafíos de la física nuclear actual es comprender la Fuerza Nuclear Fuerte entre hadrones con contenido de quarks diferente de «los primeros principios», es decir, a partir de la Fuerza Nuclear Fuerte entre los quarks y gluones constituyentes de los hadrones.

Los cálculos, conocidos como «cromodinámica cuántica de celosía» (Celosía QCD), se pueden utilizar para determinar la interacción a partir de los primeros principios, pero estos cálculos proporcionan predicciones confiables solo para hadrones que contienen quarks pesados, como los hiperones, que tienen uno o más quarks extraños.

En el pasado, estas interacciones se estudiaron mediante la colisión de hadrones, sin embargo, estos experimentos son difíciles de realizar con hadrones inestables como los hiperones.

Los hiperones son cualquier barión que contiene uno o más quarks extraños, pero no los quarks encantado, cima o fondo (a diferencia, por ejemplo, de los protones y neutrones, compuestos solo por quarks arriba y abajo, que son mucho más ligeros). Los hiperones son altamente inestables y en fracciones de segundo se descomponen en bariones más estables como protones, neutrones o piones.

Hasta ahora, esta dificultad ha impedido una comparación significativa entre las mediciones y la teoría para las interacciones hadrón-hadrón que involucran hiperones.

Los físicos de la Colaboración ALICE muestran cómo una técnica, basada en medir la diferencia de momento entre los hadrones producidos en las colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones, puede usarse para revelar la dinámica de la Fuerza Nuclear Fuerte entre hiperones y nucleones, potencialmente para cualquier par de hadrones.

La técnica se llama «femtoscopia» porque permite la investigación de escalas espaciales cercanas a 1 femtómetro, una escala aproximadamente del tamaño de un hadrón y del rango espacial de la Fuerza Nuclear Fuerte.

Este método ha permitido previamente a los investigadores de ALICE estudiar interacciones que involucran a los hiperones Lambda (Λ) y los hiperones Sigma (Σ), que contienen un quark extraño más dos quarks ligeros, así como el hiperón Xi (Ξ), que se compone de dos quarks extraños más un quark ligero.

El estudio
En el nuevo estudio, utilizaron la técnica para descubrir con alta precisión la interacción entre un protón y el más raro de los hiperones, el hiperón Omega (Ω), que contiene tres quarks extraños.

“La determinación precisa de la interacción fuerte para todo tipo de hiperones fue inesperada”, dijo la profesora Laura Fabbietti, física de la Universidad Técnica de Munich y miembro de la Colaboración ALICE.

“Esto se puede explicar por tres factores: el hecho de que el Gran Colisionador de Hadrones puede producir hadrones con quarks extraños en abundancia, la capacidad de la técnica de femtoscopia para sondear la naturaleza de corto alcance de la interacción fuerte y las excelentes capacidades del detector ALICE para identificar partículas y medir su momentum”.

“Nuestra nueva medición permite una comparación con las predicciones de los cálculos de la cromodinámica cuántica de celosía y proporciona un sólido banco de pruebas para un futuro trabajo teórico adicional”, dijo el Dr. Luciano Musa, portavoz de la Colaboración ALICE.

“Los datos de las próximas ejecuciones del Gran Colisionador de Hadrones deberían darnos acceso a cualquier pareja de hadrones”.

Referencia del documento científico:
Colaboración ALICE. 2020. Revelando la fuerte interacción entre hadrones en el LHC. Nature 588, 232-238; doi: 10.1038 / s41586-020-3001-6