Ciencias

Recordando un cálculo de física fundamental

Preguntas y respuestas con el físico David Politzer sobre la resolución del misterio de la fuerza fuerte durante más de 50 años

Cuando David Politzer, Richard Chace Tolman, profesor de física teórica en Caltech, era un estudiante de posgrado de cuarto año en Harvard en 1973, hizo un descubrimiento sorprendente que remodelaría para siempre el campo de la física de partículas. Estaba pensando en un problema de física y decidió hacer un largo y minucioso cálculo para comprenderlo mejor. Cuando terminó, se dio cuenta de que la fórmula que dedujo tenía profundas implicaciones para otra pregunta intrigante: ¿cómo une la fuerza fuerte los núcleos de los átomos?

Los cálculos de Politzer revelaron que la fuerza fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, además de la gravedad, la fuerza débil y el electromagnetismo) opera de manera diferente a las demás. La fuerza fuerte es la que mantiene juntas las partículas de materia más pequeñas conocidas, los quarks, dentro de los núcleos de los átomos. Pero en lugar de debilitarse a medida que los quarks se alejan unos de otros, como ocurre con otras fuerzas, la fuerza fuerte sigue siendo muy fuerte.

Este fenómeno puede compararse con tirar de una cuerda que tiene “mojo mecánico cuántico y relativista”, como dice Politzer. Dentro de los átomos, estas cadenas cuánticas unen los quarks. Cualquier intento de tirar de la cuerda entre los quarks sólo produce más cuerda. Si tiramos con suficiente fuerza, la cuerda se rompe y se convierte en más quarks. «Pero las cuerdas son muy flexibles cuando los quarks están muy juntos», dice Politzer. Esta flexibilidad significa que los quarks actúan como si estuvieran libres cuando están muy juntos. En términos técnicos, este fenómeno se llama libertad asintótica.

Por su descubrimiento de la libertad asintótica, Politzer ganó el Premio Nobel de Física en 2004 junto con David Gross y Frank Wilczek, quienes hicieron el mismo descubrimiento de forma independiente. El descubrimiento tuvo implicaciones importantes para la cromodinámica cuántica (QCD), una teoría propuesta por el fallecido profesor de Caltech Murray Gell-Mann en 1972 para describir la fuerza fuerte. Esencialmente, el descubrimiento de Politzer proporcionó ecuaciones de trabajo de QCD que podrían usarse para calcular cómo interactúan las partículas. Gell-Mann, quien acuñó el famoso término «quarks» a partir de una frase de la novela de James Joyce. Estela de FinnegansGanó el Premio Nobel de Física en 1969 por sugerir que los quarks son los componentes básicos de la materia.

«El trabajo de Politzer cambió la física de partículas más que cualquier otro trabajo en los últimos 50 años», dice Mark Wise, profesor John A. McCone de Física de Altas Energías en Caltech y colega de Politzer. «Esto ha permitido a los físicos comprender, cuantitativamente, muchos procesos que antes de 1973 eran incomprensibles. Esto incluye procesos que se relacionan con cuestiones físicas fuera de las interacciones fuertes en sí mismas, por ejemplo, el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones».

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Hablamos con Politzer para conocer más sobre las raíces de su descubrimiento de gran alcance.

¿Desde pequeño te interesó la física?

Mi hermano mayor, seis años mayor, fue a Bronx Science, una escuela secundaria en Nueva York, y luego al MIT. Hizo física real y buenos experimentos. Dejó en claro que los chicos geniales hacen física y le pillé el error. También fui a Bronx Science y tomé el metro de Manhattan con amigos durante una hora en cada sentido. Un verano, cerca del final de la escuela secundaria, quería ser aprendiz de fabricante de banjo. Acababa de construir un banjo. Entonces le escribí a un fabricante de banjos en Colorado, pero se dio cuenta de que el asunto del folk había terminado, vendió su negocio y nunca volvió a comunicarse conmigo. Terminé yendo a la Universidad de Michigan y me encantó. Obtuve tantas B como A en física y matemáticas. Pero me encantaba trabajar en laboratorios de investigación.

¿Qué se sabía sobre la fuerza fuerte y los quarks cuando estaba en la escuela de posgrado?

A mediados de la década de 1960, Murray Gell-Mann inventó el «Camino Óctuple», donde tres tipos de quarks se combinan de diferentes maneras para formar partículas que interactúan fuertemente conocidas como hadrones. [which include protons and neutrons]. Algunos días pensaba que los quarks eran sólo ficciones matemáticas que nos permitían ver patrones, y otros días pensaba que eran una realidad física. Ese era el lado teórico de las cosas. También se estaban realizando experimentos que no se correspondían con las teorías. Uno de los experimentos más conocidos tuvo lugar en SLAC [a federally funded particle accelerator operated by Stanford University] en 1968 y produjo resultados desconcertantes que se conocieron como el complot de Gee Whiz porque cada vez que alguien veía el complot, lo único que podía decir era «gee whiz».

En este experimento, los electrones alcanzaron altas velocidades y rebotaron en una especie de objetivo fijo. Los electrones regresaron como si hubieran chocado contra algo muy fuerte y con mucha inercia dentro de los protones. Por supuesto, ahora sabemos que los electrones chocaban con los quarks y que el proceso generaba nuevas partículas. Richard Feynman [who, before Politzer, was the Richard Chace Tolman Professor of Theoretical Physics at Caltech] Tenía su propia teoría sobre lo que estaba sucediendo y no creía que los quarks Gell-Mann tuvieran nada que ver con eso. Los dos se burlarían el uno del otro por esto.

¿Ha realizado alguna investigación sobre los quarks en este momento?

Anteriormente, cuando era estudiante de primer año, trabajé en un famoso experimento para cocinar ostras al vapor. Esto es totalmente cierto. Sabíamos que debía ser difícil eliminar un quark del núcleo solo, porque nunca lo habíamos visto suceder y no lo hemos visto hasta el día de hoy. Los rayos cósmicos de alta energía provienen del cielo y llegan al océano. ¿Qué pasa si liberan quarks de los átomos? Buscábamos pruebas de las cargas fraccionarias de los quarks. La idea era que dondequiera que terminara el quark, tendría una carga neta. Quizás esté en el agua de mar, quizás en la sal, quizás en las algas. Las cosas se vuelven biológicamente concentradas. Había un barril de ostras y también las cocinamos al vapor. Pasamos el vapor entre placas cargadas e intentamos concentrar la carga fraccionada. Bueno, nunca hemos visto un quark. Pero había una razón por la que comíamos muchas ostras.

¿Cómo te involucraste en el problema de las fuerzas fuertes?

No he empezado a trabajar en este problema. Mientras estudiaba posgrado en Harvard, un amigo mío y yo viajamos a Nueva York en mi automóvil para asistir a una conferencia. Hablamos de física todo el tiempo. Se me ocurrió una pregunta relacionada con su proyecto con nuestro profesor, Sidney Coleman. [PhD ’62]. Más tarde le pregunté a Coleman al respecto y me dijo: «Eso es realmente interesante. ¿Puedo trabajar en ello contigo?». Nunca llegamos muy lejos, pero aprendí mucho. Un cálculo que intenté para este proyecto no ayudó, pero resultó estupendo para la cuestión de la fuerza fuerte.

En aquella época existía algo llamado Modelo Weinberg-Salam, que describía la fuerza débil y cómo se entrelaza con el electromagnetismo. Este modelo es lo que llamamos teoría del calibre no abeliano. Es muy parecido al electromagnetismo, excepto que tiene varios tipos diferentes de carga en lugar de una carga eléctrica, y se suman de una manera curiosa. Los físicos querían aplicar el mismo tipo de teoría a la fuerza fuerte, pero no sabían cómo expresarla en ecuaciones. Mientras tanto, en 1971, un estudiante holandés llamado Gerard 't Hooft [formerly the Sherman Fairchild Distinguished Scholar at Caltech in 1981] Hizo los cálculos y los hizo funcionar. Al principio nadie le prestó mucha atención. Otra de mis profesoras en Harvard, Shelly Glashow, me dio una copia del artículo y dijo: «Este tipo o es un genio o está loco». La solución de Gerard 't Hooft era muy idiosincrásica y prácticamente imposible de seguir, pero sus matemáticas resolvieron los problemas con infinitos en el modelo de Weinberg-Salam. Hizo las ecuaciones kosher.

En cualquier caso, fue a esta estructura matemática a la que recurrí en algún momento de mi propia investigación sobre un problema no relacionado con la fuerza fuerte. Lo primero que hice fue un cálculo simple pero tedioso relacionado con teorías de calibre no abelianas. Hoy en día, el cálculo es tarea para los estudiantes de física, pero entonces hacía falta unos días para hacerlo a mano y en papel. Pronto me di cuenta de que los resultados significaban algo llamado función beta, porque la fuerza fuerte tiene un signo negativo. Esto significa, en esencia, que los efectos de la fuerza fuerte, a diferencia de los de las otras fuerzas, se vuelven más pequeños a medida que los quarks se acercan. Esta es la libertad asintótica. Pensé que esto haría que la trama de Gee Whiz funcionara. Hice los cálculos una y otra vez y seguí obteniendo la misma respuesta.

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¿La gente creyó su resultado inmediatamente?

Envié un borrador de papel a mi asesor, Sidney Coleman, y no lo creyó. De hecho, nominé a Sidney para el Premio al Alumno Distinguido de Caltech porque era un gran profesor con influencia en toda la comunidad de física de partículas, y ganó. De todos modos, gracias a él, el título del artículo, “¿Resultados disruptivos confiables para interacciones fuertes?” hay un signo de interrogación, del que me arrepiento años después, porque sabía que el cálculo era correcto.

Murray Gell-Mann supo inmediatamente lo que significaba el cálculo: que su teoría de la QCD no era hipotética. Esto significó que inmediatamente se abrió la posibilidad de realizar cálculos precisos dentro de esta teoría. Feynman era escéptico y le llevó algunos años darse cuenta de que algunos experimentos que pensaba que contradecían la QCD en realidad coincidían. Necesitaba esperar las lecciones de las colisiones de mayor energía. Todo se junta en energías superiores.

¿Cuáles fueron las implicaciones más amplias de su cálculo?

Cuando ingresé a la escuela de posgrado, la física de partículas era un desastre. Había muchas cosas experimentales y teóricas en este campo que eran interesantes, provocativas, apasionantes y mutuamente contradictorias. Cuando terminé mis estudios de posgrado, había un modelo estándar que funcionaba, se podían hacer predicciones precisas y se podían realizar experimentos. Como dijo mi colega Mark Wise, el estado de la física de partículas cambió por completo después de que finalmente se resolvió el misterio de la fuerza fuerte.

¿Cuál es tu parte favorita de hacer investigación, tanto en física fundamental como en tus investigaciones más recientes? estudios de instrumentos de cuerda?

A mí me encanta descubrir cómo funciona algo. Eso es óptimo. Ahora bien, incluso si otras personas ya lo saben, eso no cambia la sensación de descubrirlo por ti mismo. Te lo pueden decir y no los entiendes, y eso me pasó a mí. Pero es un placer descubrirlo por ti mismo.

Prudencia Febo

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