Elefantes comprimidos en el núcleo atómico: científicos crean el mapa de las fuerzas monstruosas dentro del protón

Un equipo internacional de físicos ha creado por primera vez un mapa detallado de las fuerzas que actúan dentro del protón. Los científicos lograron rastrear el comportamiento de los quarks, las partículas fundamentales, cuando colisionan con fotones de alta energía. Este estudio ha permitido observar la estructura de la materia a una profundidad sin precedentes.

El trabajo, liderado por investigadores de la Universidad de Adelaida, se basó en un innovador método computacional: la cromodinámica cuántica en redes (Lattice QCD). Esta técnica descompone el espacio-tiempo en una malla diminuta, generando un modelo virtual del mundo subatómico. Cada punto de esta red contiene información sobre los campos cuánticos y sus interacciones.

La cromodinámica cuántica describe la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la gravedad, el electromagnetismo y la interacción nuclear débil. Es esta fuerza la que mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones, impidiendo que existan libremente en la naturaleza.

En la red computacional creada, los científicos simularon la distribución de la fuerza fuerte en diferentes regiones del protón. Por primera vez, se obtuvo una imagen detallada de cómo la intensidad de esta fuerza varía punto por punto dentro de la partícula. El mapa resultante se convirtió en la representación más precisa jamás obtenida de la física subatómica.

Fuerzas colosales en un espacio minúsculo

Los cálculos principales fueron realizados por el doctorando Joshua Crawford, de la Universidad de Adelaida, junto con un equipo internacional de investigadores. La creación del modelo requirió capacidades computacionales masivas, ya que cada punto de la malla espacio-temporal exigía la resolución de complejas ecuaciones cuánticas.

Los resultados superaron todas las expectativas: a pesar de la escala diminuta (el protón tiene un tamaño de aproximadamente 10−1510^{-15}10−15 metros), las fuerzas dentro de la partícula alcanzan valores colosales de hasta 500.000 newtons. Para poner esto en perspectiva, esta magnitud equivale al peso de diez elefantes africanos comprimido en un espacio menor que el núcleo de un átomo.

Dentro del protón, ocurre constantemente un complejo baile cuántico: los quarks intercambian partículas llamadas gluones, que actúan como portadores de la interacción nuclear fuerte.

Las nuevas representaciones cartográficas de estas fuerzas ayudan a comprender por qué los protones se comportan de ciertas maneras en colisiones de alta energía. Este conocimiento es crucial para los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

El Gran Colisionador de Hadrones y la física del protón

El LHC, construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), es un acelerador de partículas con un anillo de 27 kilómetros de longitud, ubicado a una profundidad de hasta 175 metros bajo tierra. En su interior, los protones se aceleran hasta energías de 13 teraelectronvoltios (TeV), lo que lo convierte en el acelerador de partículas más potente del mundo.

Más de 10.000 científicos de cientos de universidades y laboratorios en más de 100 países participan en los experimentos del LHC. Este colosal instrumento científico permite poner a prueba las teorías más avanzadas de la física de partículas y buscar nuevos fenómenos en el mundo subatómico.

Aplicaciones prácticas: de la física fundamental a la lucha contra el cáncer

Comprender la estructura interna del protón no solo es fundamental para la física teórica, sino que también tiene aplicaciones prácticas importantes. Uno de los usos más prometedores es la terapia con protones para el tratamiento del cáncer. En este método, haces de protones de alta energía se dirigen con precisión a los tumores.

La ventaja de la terapia con protones radica en que estas partículas liberan la mayor parte de su energía al final de su trayectoria, exactamente en la ubicación del tumor. Esto permite minimizar el daño a los tejidos sanos por los que atraviesa el haz, convirtiéndola en una de las técnicas más avanzadas y seguras en oncología.