La fuerza nuclear fuerte -responsable de mantener unidos a protones y neutrones en el interior del átomo- es una de las interacciones fundamentales de la naturaleza y, a la vez, una de las más complejas de describir. Sus protagonistas son los quarks y gluones, partículas fundamentales que conforman más del 99% de la masa de la materia observable, descontando la materia y energía oscura. Pero cuando alcanzan energías extremas, como las que existieron microsegundos después del Big Bang, o las que recrean colisionadores como el LHC de CERN, esa materia cambia radicalmente de estado.
Esta transformación y sus consecuencias físicas, son el corazón del trabajo de Bruno Scheihing Hitschfeld, alumni del Departamento de Física (DFI) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile y actual investigador postdoctoral del Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), Universidad de California, Santa Bárbara, cuya tesis fue recientemente reconocida por la Sociedad Americana de Física (APS), entre las mejores del área de física nuclear.
Su investigación, realizada como parte de su Doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), aborda cómo estos componentes fundamentales se comportan cuando dejan de estar confinados de los núcleos atómicos y forman el plasma de quarks y gluones (QGP), un estado exótico de la materia que solo existe por una fracción ínfima de segundos.
“Así como el agua puede existir como hielo, líquido o vapor, los quarks y gluones también pueden formar distintos estados a distintas temperaturas”, explica Scheihing Hitschfeld. “A temperaturas muy altas, los núcleos se desintegran y los quarks y gluones forman un estado donde éstos interactúan directamente, sin estar confinados en el núcleo atómico”. Comprender esa transición es esencial para interpretar los experimentos de colisionadores y también para entender las primeras etapas del universo.
Un fluido perfecto
Una de las principales contribuciones de su tesis es una nueva descripción teórica del proceso mediante el cual este plasma primordial pasa de un estado altamente inestable, a uno que fluye como un líquido perfecto, regido por las leyes de la hidrodinámica. Ese período -conocido como hidrodinamización- es clave para entender qué ocurre instantes después de la colisión de iones pesados.
“Mi trabajo estudia cómo, a partir de condiciones iniciales muy extremas, la dinámica de la fuerza nuclear fuerte empuja al sistema hacia el equilibrio térmico local”, señala. “Ese proceso ocurrió también en el universo temprano, aunque en un contexto muy distinto. La gran ventaja de los colisionadores es que podemos repetir el experimento miles de veces, lo que nos permite estudiar la dinámica microscópica de forma controlada”, agrega.
Sus resultados proporcionan herramientas teóricas que permiten conectar datos experimentales, como los patrones que emergen al observar las partículas resultantes de estas colisiones, con las predicciones de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe la interacción fuerte.
A cincuenta años de su formulación, la cromodinámica cuántica todavía tiene enormes desafíos por delante. Para Scheihing Hitschfeld, lo que viene en adelante es tan desafiante como prometedor. “Si pensamos que el electromagnetismo -que hoy da origen a todas las tecnologías electrónicas, como computadores o celulares, y que incluso promete llevarnos a la era de los computadores cuánticos-, lleva más de un siglo de desarrollo, es razonable imaginar que las aplicaciones de la QCD dentro de 100 años serán sorprendentes”, afirma. “Lo que hoy estudiamos en el plasma de quarks y gluones podría inspirar conceptos y tecnologías que aún no somos capaces de imaginar”.
Quarks pesados
Otro fenómeno relevante que aborda la tesis, es el comportamiento de estados ligados de quarks pesados que se forman, disocian y recombinan dentro del plasma. Este problema -explica Scheihing Hitschfeld- tiene conexiones profundas con áreas como la materia condensada, la información cuántica y la computación cuántica, porque corresponde al estudio de un sistema cuántico abierto: un conjunto pequeño de partículas que interactúan con un entorno muy complejo y dinámico,
“El estudio de estos estados ligados en el QGP desafía muchas aproximaciones estándar. Permite, por un lado, poner a prueba esos supuestos en un régimen extremo, y, por otro, entender cómo sistemas complejos emergen a partir de interacciones fundamentales”, detalla.
El reconocimiento de la APS no solo destaca la calidad científica de su trabajo, sino también el alto nivel de formación científica en universidades de nuestro país, como es el caso del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, donde Bruno Scheihing Hitschfeld cursó su Licenciatura y Magíster, antes de continuar su carrera en Estados Unidos.
APS también destacó el aporte que este trabajo representa para una comunidad internacional dedicada a descifrar, con creciente precisión, cómo funciona la fuerza que mantiene unida la materia misma.