Investigadores de RWTH y colaboradores internacionales validan un nuevo método para mapear la distribución de quarks en hadrones, mejorando la comprensión de la estructura subatómica y la fuerza nuclear.
Un grupo de científicos de la RWTH, en colaboración con colegas internacionales, ha logrado aplicar y validar un método recientemente propuesto para mapear la distribución de quarks dentro de los hadrones, que son las partículas que constituyen la mayor parte de la masa visible del universo.
Este innovador enfoque permite estudiar y predecir la estructura interna de partículas subatómicas con un nivel de detalle sin precedentes, abriendo nuevas oportunidades para la investigación sobre los hadrones. La metodología fue propuesta por la doctora Andrea Shindler y sus colegas del Instituto de Física Teórica de Partículas y Cosmología en RWTH, quienes colaboraron con investigadores a nivel mundial. Los hallazgos se publicaron en dos artículos en las revistas Physical Review Letters y Physical Review D, titulados “Gradient flow for parton distribution functions: first application to the pion” y “Moments of parton distribution functions of the pion from lattice QCD using gradient flow”. Ambas publicaciones han sido seleccionadas como Sugerencias de Editores, un reconocimiento otorgado a un pequeño porcentaje de trabajos considerados especialmente relevantes.
La fuerza nuclear fuerte es reconocida como la más poderosa entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (junto con la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil). Esta fuerza es esencial para mantener unidos los núcleos atómicos. A nivel subatómico, se manifiesta al confinar quarks en protones, neutrones y otros hadrones, como los piones, que son los más ligeros entre ellos. Comprender cómo se distribuyen los quarks dentro de los hadrones es crucial para desentrañar cómo esta fuerza da origen a toda la materia observable.
A pesar de su importancia, este objetivo ha sido complicado por problemas técnicos y las fluctuaciones cuánticas, que son variaciones aleatorias temporales a escalas muy pequeñas. Utilizando el pión como referencia en su trabajo actual, Shindler y su equipo aplicaron el nuevo método basado en un proceso conocido como “gradient flow”, lo que les permitió alcanzar niveles de detalle previamente inalcanzables. Este método suaviza las fluctuaciones cuánticas y evita problemas técnicos que habían limitado cálculos anteriores, facilitando así el acceso a características detalladas de la estructura hadrónica.
A través de simulaciones a gran escala realizadas en el Centro de Supercomputación Jülich del Forschungszentrum Jülich, los investigadores demostraron que sus resultados son consistentes con mediciones experimentales e incluso logran una mayor precisión en algunos casos. Esto es fundamental porque indica que cantidades antes inaccesibles pueden ahora calcularse directamente a partir de las leyes fundamentales de la física. Así, se hace posible mapear la estructura de los hadrones con un detalle sin precedentes.
El enfoque demostrado con los piones también puede aplicarse a protones y neutrones, lo que abre la puerta a estudios de alta precisión sobre su estructura. Esto podría reducir incertidumbres clave en experimentos realizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y futuras instalaciones como el Colisionador Electrón-Ión. La nueva metodología podría acercarnos a una comprensión más profunda sobre una de las leyes fundamentales de la naturaleza.
Momentos de funciones de distribución partónica desde lattice QCD
Gradient flow para funciones de distribución partónicas: primera aplicación al pión
Momentos de funciones de distribución partónicas del pión desde lattice QCD utilizando gradient flow