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ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es uno de los grandes detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), diseñado específicamente para estudiar colisiones de iones pesados y recrear las condiciones del universo primitivo.
Un equipo internacional de investigadores que trabaja en el experimento ALICE del CERN ha obtenido nuevas evidencias sobre el comportamiento de los gluones en el interior de los núcleos atómicos, al observar un patrón inesperado cuando se analizan escalas espaciales extremadamente pequeñas.
El resultado, publicado en Physical Review Letters, permite profundizar en uno de los problemas fundamentales de la física de partículas: comprender cómo se distribuyen y organizan los gluones dentro de los protones y neutrones y cómo su comportamiento contribuye a determinar las propiedades de la materia.
Los gluones son las partículas que actúan como mediadoras de la fuerza nuclear fuerte, responsable de mantener unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. Aunque los quarks suelen considerarse los componentes fundamentales de estas partículas, una parte muy importante de la masa de la materia ordinaria está relacionada con la energía asociada a los gluones y a la interacción fuerte.
Para realizar las mediciones, los investigadores utilizaron una técnica denominada producción fotonuclear incoherente de J/ψ, aprovechando los intensos campos electromagnéticos generados alrededor de núcleos de plomo que pasan muy cerca unos de otros en el LHC sin llegar a colisionar directamente.
En estas interacciones, los campos electromagnéticos de los núcleos actúan como fuentes de fotones de alta energía. Cuando uno de estos fotones interactúa con otro núcleo, puede producir temporalmente una partícula J/ψ. El análisis de estas partículas proporciona información sobre la distribución de los gluones en el núcleo.
La particularidad del nuevo trabajo reside en que los científicos han podido analizar simultáneamente diferentes escalas de energía y transferencia de momento, obteniendo una visión multidimensional de la estructura gluónica. La resolución alcanzada permite estudiar regiones de apenas una fracción del tamaño de un protón.
Los resultados muestran que la producción de partículas J/ψ experimenta una reducción significativa en las escalas más pequeñas estudiadas. Este comportamiento resulta difícil de explicar únicamente mediante el fenómeno conocido como sombra nuclear o nuclear shadowing.
Los datos favorecen, en cambio, una interpretación relacionada con la saturación de gluones. Según esta hipótesis, cuando la densidad de gluones aumenta hasta niveles extremadamente elevados, estas partículas comienzan a interactuar y comportarse de forma colectiva, en lugar de hacerlo como entidades prácticamente independientes.
El fenómeno constituye una predicción de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción fuerte, pero su estudio experimental resulta especialmente complejo. Las nuevas mediciones del ALICE proporcionan una herramienta más precisa para diferenciar entre las distintas explicaciones teóricas sobre el comportamiento de los gluones.
Daniel Tapia Takaki, físico de la Universidad de Kansas (EE.UU) y uno de los investigadores que ha desempeñado un papel destacado en el estudio, ha explicado que el procedimiento permite obtener una resolución mucho mayor de la estructura gluónica.
“Comprender cómo se comportan los gluones en el interior de los núcleos es esencial para entender cómo la propia materia adquiere su masa y su estructura” ha señalado el investigador.
El equipo compara el método con el funcionamiento de un microscopio cuya resolución puede modificarse. Al variar la transferencia de momento, los investigadores pueden explorar regiones progresivamente más pequeñas del núcleo, alcanzando escalas de aproximadamente 0,6, 0,3 y 0,2 femtómetros.
La investigación no solo aporta información sobre la estructura interna de los núcleos atómicos, sino que contribuye a mejorar la comprensión de la fuerza fuerte y de los mecanismos mediante los cuales emerge la masa de la materia visible.
Los investigadores consideran que serán necesarias nuevas mediciones a energías más elevadas para comprobar con mayor precisión las predicciones de los modelos de saturación. No obstante, los resultados obtenidos por ALICE proporcionan una nueva vía experimental para estudiar el comportamiento de la materia a escalas subatómicas y para avanzar en la comprensión de uno de los componentes fundamentales del universo.
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