Dualidad nueva y sorprendente en la física de partículas teórica
Una nueva y sorprendente dualidad en la física teórica de partículas se ha revelado entre dos tipos de procesos de dispersión que pueden ocurrir en colisiones de protones.
El hecho de que esta conexión --registrada en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN entre Suiza y Francia-- pueda establecerse, sorprendentemente, apunta al hecho de que hay algo en los intrincados detalles del modelo estándar de física de partículas que no se comprende del todo. El modelo estándar es el modelo del mundo a escala subatómica que explica todas las partículas y sus interacciones, por lo que cuando aparecen sorpresas, hay motivo de atención. El artículo científico ahora se publica en Physical Review Letters.
El concepto de dualidad se da en diferentes áreas de la física. La dualidad más conocida es probablemente la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica. El famoso experimento de la doble rendija muestra que la luz se comporta como una onda, mientras que Albert Einstein recibió su premio Nobel por demostrar que la luz se comporta como una partícula.
Lo extraño es que la luz es en realidad ambos y ninguno de los dos al mismo tiempo. Simplemente hay dos formas en que podemos ver esta entidad, la luz, y cada una viene con una descripción matemática. Ambos con una idea intuitiva completamente diferente, pero aún describen lo mismo.
"Lo que ahora hemos encontrado es una dualidad similar", explica en un comunicado Matthias Wilhelm, profesor asistente en la Academia Internacional Niels Bohr. "Calculamos la predicción para un proceso de dispersión y para otro proceso de dispersión. Nuestros cálculos actuales son menos tangibles experimentalmente que el famoso experimento de la doble rendija, pero existe un mapa matemático claro entre los dos y muestra que ambos contienen la misma información. Están vinculados, de alguna manera".
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) colisiona muchos protones; en estos protones, hay muchas partículas más pequeñas, las partículas subatómicas, gluones y quarks.
En la colisión, dos gluones de diferentes protones pueden interactuar y se crean nuevas partículas, como la partícula de Higgs, lo que da como resultado patrones intrincados en los detectores.
Los investigadores mapean cómo se ven estos patrones, y el trabajo teórico realizado en relación con los experimentos tiene como objetivo describir con precisión lo que sucede en términos matemáticos, para crear una formulación general, así como para hacer predicciones que puedan compararse con los resultados de los experimentos.
"Calculamos el proceso de dispersión de dos gluones que interactúan para producir cuatro gluones, así como el proceso de dispersión de dos gluones que interactúan para producir un gluón y una partícula de Higgs, ambos en una versión ligeramente simplificada del modelo estándar. Para nuestra sorpresa, encontró que los resultados de estos dos cálculos están relacionados. Un caso clásico de dualidad. De alguna manera, la respuesta a la probabilidad de que ocurra un proceso de dispersión lleva consigo la respuesta a la probabilidad de que ocurra el otro proceso de dispersión. Lo extraño de esta dualidad es que no sabemos por qué existe esta relación entre los dos procesos de dispersión diferentes. Estamos mezclando dos propiedades físicas muy diferentes de las dos predicciones, y vemos la relación, pero todavía es un poco de un misterio en el que radica la conexión", dice Matthias Wilhelm.
Según la comprensión actual, los dos no deberían estar conectados, pero con el descubrimiento de esta sorprendente dualidad, la única forma adecuada de reaccionar es investigar más.
Las sorpresas siempre significan que hay algo que ahora sabemos que no entendemos. Después del descubrimiento de la partícula de Higgs en 2012, no se han descubierto nuevas partículas sensacionales. La forma en que esperamos detectar nueva física ahora es haciendo predicciones muy precisas sobre lo que esperamos que suceda, luego compararlas con mediciones muy precisas sobre lo que nos muestra la naturaleza y ver si podemos encontrar desviaciones allí.
Necesitamos mucha precisión, tanto experimental como teóricamente. Pero con más precisión vienen cálculos más difíciles. "Así que esto podría llevarnos a trabajar para ver si esta dualidad se puede usar para obtener una especie de "millaje", porque un cálculo es más simple que el otro, pero aun así da la respuesta a los cálculos más complicados", explica Matthias Wilhelm.
"Entonces, si podemos conformarnos con usar el cálculo simple, podemos usar la dualidad para responder la pregunta que de otro modo requeriría cálculos más complicados, pero entonces realmente necesitamos entender la dualidad. Sin embargo, es importante señalar que no estamos allí todavía. Pero por lo general, las preguntas que surgen del comportamiento inesperado de las cosas son mucho más interesantes que un resultado ordenado y esperado".
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