Nuevo estado de la Materia

La hipótesis de la existencia de la Materia de Quarks Extraña, formada por quarks u, d y s, como el estado más fundamental de la materia (Bodmer 1971, Witten 1984), constituye una de las especulaciones más excitantes de la Física del siglo XX. Si dicha hipótesis fuese correcta, la materia de quarks sería absolutamente estable, conformaría el núcleo de objetos compactos como las estrellas de neutrones y podría formar objetos aún más exóticos como las estrellas de Quarks.

Debido al régimen de alta densidad y baja temperatura al que se encuentran sometidas estas estrellas es posible que la interacción atractiva de los quarks, a través del intercambio de gluones, favorezca la aparición de una fase superconductora de “color”, modificando significativamente la ecuación de estado del sistema.

Así, las estrellas de quarks y los núcleos de objetos compactos, donde las densidades de partículas son extremadamente grandes (varias veces la densidad de equilibrio nuclear) y los campos magnéticos extraordinariamente intensos (10¹⁷ – 10¹⁹ G), serían candidatos naturales para la “verificación” de la existencia de la superconductividad de color.

Hace ya tres décadas que T.D. Lee (Premio Nobel de Física) y G. Wick apuntaron la posibilidad de explorar una nueva Física distribuyendo una densidad de materia nuclear grande o una densidad de energía grande en un volumen relativamente grande. Ellos pretendían restablecer simetrías rotas del vacío físico y crear nuevos estados anormales de materia nuclear densa.

Enseguida se vio que la libertad asintótica en Cromodinámica Cuántica (QCD), en aquel tiempo recién descubierta, implicaba la existencia de una forma de materia nuclear muy densa formada por Quarks y Gluones deconfinados, que posteriormente se llamó plasma de Quarks y Gluones.

Podemos entender la transición entre la materia nuclear ordinaria y un gas de quarks y gluones libres como un cambio en el número de grados de libertad, ya sabéis que, precisamente la fuerza nuclear fuerte está en el confinamiento de los quarks que son retenidos por los ocho estados de color de los gluones que dentro (por ejemplo) de un protón, están confinados y, cuanto más se separan los quarks los unos de los otros, más aumenta la fuerza nuclear para impedirlo (confinamiento de los quarks) y, cuanto más se juntan, más débil es la fuerza. A decir verdad, es la única fuerza de la naturaleza que crece con la distancia.

Pero continuemos con lo que nos interesa aquí, A temperaturas por debajo de la temperatura crítica (omito símbolos, ecuaciones y otros enredos para el lector no versado), los quarks y los gluones no solamente están confinados en los Hadrones, sino que la simetría quiral de QCD se rompe espontáneamente (un cambio rápido sin discontinuidad). De esta manera, la búsqueda de QGP es importante no solo porque es la forma de la materia de QCD a alta temperatura o alta densidad bariónica que estuvo presente durante los primeros microsegundos tras el Big Bang y que puede existir en estrellas de neutrones, sino porque nos proporciona información sobre el origen de la mayor parte de la masa ordinaria y sobre el confinamiento de quarks y gluones.

En las últimas décadas se han realizado muchos experimentos orientados a la obtención en laboratorio del QGP y, a partir de ahora, con el LHC en marcha en el CERN se espera que se alcancen energías iguales a 5,5 TeV por nucleón. Todos los datos obtenidos de estos experimentos son del máximo interés y que sería engorroso explicar aquí por sus complejas estructuras en las que se observan una fuerte supresión de partículas producidas  en las colisiones y que conducen a una saturación de la multiplicidad por nucleón participante en la colisión, y un flujo elíptico cuyo comportamiento y dependencia con la masa de las partículas es consistente con cálculos hidrodinámicos que asumen que el sistema creado en la colisión se isotropiza muy rápidamente.

Todos estos resultados apuntan a la creación de materia de alta densidad, con grados de libertad partónicos (el partón es una partícula puntual, casi libre, postulada como un componente de los nucleones. El Modelo de partones permite entender los resultados de experimentos de muy alta energía con nucleones). El estado inicial de la colisión podría describirse por modelos de saturación de partones como el denominado Color Glass Condensate, que estaría próximo a un estado termalizado que experimenta un flujo colectivo, descrito hidrodinámicamente como un fluido casi perfecto –de muy baja viscosidad-. Debido a la existencia de este medio constituido por un fluido partónico casi perfecto de muy alta densidad, la propagación de partículas con momento transverso alto se modifica fuertemente respecto a su propagación en el vacío.

Como el artículo se pone muy denso, recordaré aquí aquella anécdota del Premio Nobel que nombraba al principio de este trabajo, T. D. Lee.

Resulta que Lee, viajaba en el metro de Nueva York. De pronto y de manera inesperada, fue abordado por su vecino de asiento, un jubilado que, asistiendo a clases nocturnas no se aclaraba con las matemáticas del cuaderno que arrugaba entre sus manazas.

Desesperado, se volvió a Lee y le preguntó: ¿Sabe algo de números? Y, al mismo tiempo, le tendía el maltrecho cuaderno y el lápiz.

Lee (disfrutando del momento y de aquella situación inusual en su vida), tomó los elementos que le tendía aquel hombre, y, sin decir palabra, comenzó a garabatear rápidamente las soluciones a tan básicos problemas.

Seguidamente y, también en silencio, le devolvió a aquel señor los utensilios que aquel tomó con ansiedad y, al ver que todo estaba hecho, miró a Lee y le agradeció la ayuda con una amplia sonrisa de complicidad.

Claro que, lo que aquel buen hombre no sabía era que, había tenido la suerte de viajar en metro teniendo por compañero a un Premio Nobel de Física que, además, demostrando su categoría le prestó la ayuda que necesitaba sin darle más importancia.

La verdadera categoría de las personas quedan al descubierto en momentos así. Otro más presuntuoso que Lee, en primer lugar ni habría viajado en metro.

Bueno, una vez relajados, volvamos al artículo que nos ocupa y que terminaré diciendo que, las colisiones entre iones pesados a energías ultrarelativistas constituyen la posibilidad experimental de crear en Laboratorio el Plasma de Quarks y Gluones. El estudio de este nuevo estado de la materia debe ayudar a la comprensión del fenómeno del confinamiento en la teoría de campos que nos explica la interacción fuerte. La Cromodinámica Cuántica.

Claro que el artículo no estaría completo sin que, de pasada, se hablará de la Quinta Fuerza.

En estos últimos tres años, los físicos se han movilizado para aclarar la posible existencia de una quinta fuerza que, de confirmarse, supondría un duro golpe para la Mecánica Clásica de Newton y Galileo. La fuerza de la gravedad es una fuerza atractiva que se ejerce entre todas las partículas del Universo. Su alcance esinfinito pero su intensidad es muy débil. La interacción gravitacional entre un protón y un electrón es 1036 veces más pequeña que la fuerza electromagnética que los liga.

La fuerza de gravitación se ha considerado siempre independiente de la composición de la material. Galileo estableció que todos los cuerpos al caer están sometidos a la misma aceleración;  es decir, que en el vacío, una pluma de ave cae con la misma velocidad que una  esfera de plomo. ¿Pero es esto rigurosamente cierto? Según Fischbach, entre otros, cabe la posibilidad de que exista una quinta fuerza, llamada hipercarga, que, de alguna manera, se superpone a la de gravitación. En otras palabras, esta quinta fuerza depende de la constitución atómica de los objetos. Si esta fuerza es repulsiva, como afirma el citado Fischbach, será tanto más intensa cuanto mayor es el número bariónico (suma del  número de protones y neutrones que componen su núcleo atómico (UNIFICACIÓN, QUINTA FUERZA SUPERCUERDAS) , ocurriendo entonces que un trozo de aluminio debería caer menos deprisa que uno de hierro, hecho que jamás se ha observado. La existencia de la quinta fuerza conduciría entonces al hecho  de que la masa gravitatoria (fuerza con la que la Tierra atrae a un  cuerpo) es diferente de la  masa inercia!  o masa inerte  (resistencia  que el cuerpo opone a ponerse en movimiento por la acción de
una fuerza cualquiera). A partir de 1985 se han ideado muy diversas experiencias llevadas a cabo en diferentes países y por físicos de primerísima fila, muy ingeniosos todos ellos, pero ninguno ha puesto de manifiesto la posible presencia de esta «misteriosa quinta fuerza». En agosto último se dieron a  conocer los resultados de los realizados en Groelandia por los físicos americanos Ander y Zumberger, que parecen indicar que, a medida que nos alejamos del suelo de la Tierra, en profundidad, la constante universal de la gravitación, decrece un poco más deprisa de lo que quiere la teoría. En el momento se preparan nuevas «exploraciones» que se van
a realizar en las proximidades del Polo Sur, y las más esperanzadoras que se preparan a nivel de partículas en el CERN.

Los escépticos sobre la existencia de la quinta fuerza, explican que sólo se trata de un avatar de la fuerza de la gravedad que implican, todo lo más, un reajuste de la ley de Newton de las medidas efectuadas en las proximidades de la Tierra.

En 1984, Schwarz y Green, creen haber conformado una curiosa teoría, que llaman de las supercuerdas. Para ellos, el último  constituyente de la materia, concebida siempre como un punto sin  dimensiones, se reemplaza por una cuerda. Las partículas que conocemos corresponderían a cuerdas en reposo, desprovistas de vibraciones y tan pequeñas que harían falta 1035 de ellas para alcanzar la longitud de un centímetro. La teoría concibe un mundo de  ¡10 dimensiones!, nueve espaciales y una temporal, pero no a la
escala atómica, a la que estamos acostumbrados, sino a la escala  de Planck que es unas diez millones de veces más pequeña. Se especula que en el instante inicial del Big-Bang las nueve dimensiones espaciales podrían haber estado presentes, pero incomprensiblemente cuando empezó la explosión sólo tres de ellas se expandieron. Dentro del orden científico, esta teoría, como cualquier otra que carece de la prueba experimental que la respalde, se puede aceptar como un orden natural del Universo. Alguien ha significado que la teoría se presenta como una sucesión extraordinaria  de circunstancias y está dotada de una belleza y un rigor matemá- tico excelente. Tiene a su favor el éxito logrado al constituir el primer modelo convincente de la gravitación cuántica.

Para terminar, tomamos del libro de S. Weinberg, Partículas  Subatómicas,  el siguiente p’árrafo: «Cuando el poeta William Blake necesitó resumir la Ciencia en una línea, habló de los átomos  de Demócrito y las partículas de luz de Newton. De la época griega de Demócrito y Leucipo a la época de Blake y a la nuestra, la  idea de partícula fundamental ha sido siempre emblema de la meta más ansiada de la Ciencia; comprender la complejidad de la  Naturaleza en términos sencillos.»

emilio silvera

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