Un científico costarricense descubre una ecuación para describir el protón

UCR/DICYT Los protones y neutrones están constituidos por partículas, la descripción de su estructura y propiedades en términos de sus constituyentes fundamentales descubiertos en 1967 se ha convertido en uno de los problemas más complejos de la física teórica de los últimos 40 años. El físico de la Universidad de Costa Rica Guy de Téramond Peralta, conjuntamente con su colega de la Universidad de Stanford, Stan Brodsky, desarrolló una ecuación simple que describe el comportamiento de las partículas subatómicas dentro del protón.

Este desarrollo es de gran importancia, ya que un mejor entendimiento de la estructura del protón es uno de los problemas fundamentales de la física nuclear y la física de partículas, denominada también física de altas energías. Los físicos han estado batallando con la descripción matemática de la estructura del protón utilizando la teoría conocida como cromodinámica cuántica o “Quantum Chromo Dynamics”, QCD por sus siglas en inglés.

Esta teoría asigna a cada “quark” un tipo de característica llamada "color" similar a la carga eléctrica que se le asigna al electrón. El concepto de “color” en estos componentes del protón es diferente al utilizado comúnmente, pero de ahí surge el nombre de la teoría denominada cromodinámica cuántica. Para resolver los problemas complejos de la cromodinámica cuántica se ha recurrido a la denominada teoría del “Lattice” o “Red”, que podría traducirse como “red discreta” , una aproximación muy compleja en la cual el espacio se representa como cubos superpuestos, donde los “quarks” se sitúan únicamente en los vertices de los cubos de la red.

Hasta ahora, calcular algo que parece sencillo como la masa de un nucleón (protón o neutrón) era imposible analíticamente. La física del interior de un nucleón era inabordable sin el uso de las mayores supercomputadoras del mundo para los cálculos matemáticos, lo cual implica gran cantidad de recursos. Por esa razón la ecuación desarrollada por de Téramond y Brodsky representa un gran paso, ya que es más simple y se puede resolver con solo papel y lápiz.

Según comentó el físico, la estructura del protón es extraordinariamente complicada y por eso se ha recurrido al poder computacional, “pero con esta ecuación se logra una descripción mucho más simple y profunda, más directa y no requiere de supercomputadoras”. Este desarrollo tiene un paralelo con la célebre ecuación del físico austriaco Erwin Schrödinger publicada en 1926, la cual describe las fuerzas que mantienen el electrón en su órbita en torno al núcleo del átomo. Esta es una de las herramientas teóricas más importantes en la física atómica que describe la estructura mecánica cuántica de los sistemas atómicos.

Se puede afirmar entonces, que los físicos costarricense y estadounidense construyeron una especie de ecuación de Schrödinger para el protón.La herramienta suministra información acerca de las masas y otras características del protón y otros nucleones (partículas constituyentes del núcleo atómico). También acerca de la función de onda que es una forma de describir el estado físico de un sistema cuanto-mecánico, en este caso de los “quarks” y los “gluones” (constituyentes elementales del protón) El doctor de Téramond explicó que no se trata de una descripción exacta, pero sí de una prometedora primera aproximación que puede ser paulatinamente mejorada.

Los cálculos analíticos en los trabajos de G. de Teramond y S. Brodsky utilizan la geometría del espacio de Anti-de Sitter (AdS) que posee una dimensión adicional a las cuatro dimensiones usuales del espacio-tiempo. En la figura diferentes valores de la quinta-dimensión (representada por la coordenada radial de la esfera) corresponden a diferentes energías a las cuales el protón es examinado en un experimento.

La esfera exterior representa eventos a altas energías en el espacio-tiempo convencional donde los quarks en el protón se encuentran a distancias muy cortas unos de otros. Por consiguiente, el tamaño de un protón visto por un observador en el espacio-tiempo usual, disminuye a un punto cerca del límite del espacio AdS (esfera exterior). Por otra parte los quarks están permanentemente confinados en el protón y la física de los mecanismos del confinamiento esta representada en el interior del espacio AdS. Esta región del espacio AdS representa el protón en experimentos a bajas energías donde los quarks están separados y el protón alcanza su tamaño máximo permitido por el confinamiento (esfera roja interior). 

Costa Rica en la palestra

El físico de la Universidad de Costa Rica y su colega de la Universidad de Stanford, Stan Brodsky, tienen una larga historia de colaboración y trabajo conjunto. Han escrito 26 artículos sobre temas relacionados y recibido cerca de 1000 citaciones de colegas por su trabajo compartido.

Este último trabajo de ambos ha sido presentado en diferentes países del mundo. El investigador de la UCR ha dictado 20 conferencias a las que ha sido invitado para exponerlo en países como Italia, Alemania, Inglaterra, Francia, Estados Unidos, Corea y Japón. En mayo pasado fue invitado a exponer los resultados en la reunión anual del American Physical Society en Estados Unidos y en el Instituto Lebedev de la Academia de Ciencias en Rusia con motivo de la Cuarta Conferencia Internacional Sakharov; en junio lo hizo en el Laboratorio Nacional Jefferson también en USA.

Con su trabajo este investigador demuestra la importancia de la internacionalización de la investigación. El doctor de Téramond asegura que en nuestro país se hace investigación que tiene el mismo nivel de la ciencia del primer mundo, lo cual es resultado de un esfuerzo continuo y visionario de la Universidad de Costa Rica.