Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. han creado la imagen más detallada hasta el momento de la estructura interna de una partícula de pión, proporcionando nuevos conocimientos sobre uno de los componentes fundamentales implicados en la formación de la materia visible.
El estudio, realizado en colaboración con científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, utilizó la supercomputadora Polaris en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para simular el comportamiento de los quarks dentro de los piones.
El estudio produjo imágenes tridimensionales de alta resolución que revelan cómo se organizan e interactúan estas partículas elementales.
El descubrimiento representa un avance importante en la física nuclear y ayudará a los investigadores a comprender mejor las poderosas fuerzas nucleares que mantienen unidos los núcleos atómicos.
También se espera que los resultados respalden futuros experimentos destinados a investigar la estructura de los materiales a un nivel más profundo.
La investigación fue publicada en el Journal of High Energy Physics y contó con el apoyo del programa de Efectos Computacionales Novedosos e Innovadores en Teoría y Experimentos (INCITE) del Departamento de Energía.
El equipo de Argonne mapea pions en tres dimensiones
Las partículas de piones ocupan un lugar central en la física nuclear porque están estrechamente relacionadas con la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esta fuerza mantiene a los protones y neutrones dentro del núcleo y es esencial para la estabilidad de la materia.
A pesar de su importancia, los piones siguen siendo una de las partículas compuestas menos comprendidas. Con datos experimentales limitados sobre su estructura interna, el modelado computacional avanzado se ha convertido en una herramienta importante para los investigadores que intentan comprender cómo se comportan internamente los quarks y gluones.
Para abordar este desafío, el equipo de investigación recurrió a simulaciones a gran escala que pueden reproducir la compleja dinámica de fuerzas fuertes a nivel subatómico.
Aclarando la distribución de quarks con simulación Polaris
Los investigadores utilizaron la supercomputadora Polaris para simular el movimiento y las interacciones de los quarks dentro de un pion en movimiento.
Los cálculos se basaron en una combinación de métodos teóricos avanzados y una amplia potencia computacional para modelar millones de puntos en una cuadrícula espacio-temporal de cuatro dimensiones.
Las simulaciones produjeron visualizaciones detalladas de cómo se distribuyen los quarks por toda la partícula. Los investigadores pudieron observar no sólo cómo se organizan los quarks a lo largo de la dirección de movimiento del pión, sino también cómo se distribuyen en su dimensión lateral.
La escala de los cálculos requiere un paralelismo masivo, lo que pone de relieve el papel cada vez más importante de la supercomputación en la investigación moderna de la física de partículas.
Nuevas mediciones revelan cambios en el tamaño de las partículas
El principal resultado de este proyecto fue la determinación de la distribución generalizada de partones (GPD) de piones. Este marco proporciona una explicación detallada de cómo se distribuyen los quarks tanto en el espacio como en el momento dentro de las partículas.
Al analizar el GPD del pión, el equipo construyó un mapa tridimensional muy detallado de la estructura interna de la partícula. Los resultados mostraron que el tamaño lateral de los piones disminuye a medida que aumenta el impulso transportado por los quarks.
Los investigadores también descubrieron que en valores de impulso intermedios, los piones parecen más pequeños que los protones. Estos descubrimientos proporcionan nueva evidencia sobre cómo los quarks quedan atrapados dentro de partículas compuestas y cómo fuerzas fuertes moldean su comportamiento.
Discovery prepara el escenario para futuros experimentos con colisionadores
Aún no existen mediciones experimentales directas del GPD de piones, por lo que los nuevos cálculos representan un punto de referencia importante para la comunidad científica.
Se espera que los resultados respalden futuras investigaciones en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson y en el próximo colisionador de iones de electrones del Laboratorio Nacional Brookhaven.
Ambas instalaciones tienen como objetivo explorar cómo se combinan los quarks y los gluones para crear la materia que constituye el universo observable.
El equipo de investigación ya está mirando hacia la siguiente etapa de su investigación. Los científicos planean utilizar la supercomputadora Aurora de Argonne para crear mapas tridimensionales igualmente detallados de protones que, junto con los neutrones, forman núcleos atómicos que se encuentran en todo el universo.
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