El físico descifrando la naturaleza no binaria del mundo subatómico

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Muchos descubrimientos en física surgen de la teoría y se desarrollan a partir de la experimentación. Albert Einstein planteó la teoría de que la masa dobla el tejido del espacio-tiempo y, posteriormente, Arthur Eddington observó los efectos de esta curvatura durante un eclipse solar. Asimismo, Peter Higgs fue el primero en proponer la existencia del bosón de Higgs; casi 50 años después, la partícula fue descubierta en el Gran Colisionador de Hadrones.

La hadronización es diferente. Es el proceso por el cual las partículas elementales llamadas quarks y gluones se unen para formar protones y neutrones, los componentes de los átomos. Ninguna teoría actual puede describir con precisión cómo o por qué ocurre la hadronización.

“Esto es realmente lo opuesto a la norma”, dice Rithya Kunnawalkam Elayavalli, físico nuclear de alta energía de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee.

Kunnawalkam Elayavalli pasa sus días observando la hadronización e intentando formular una teoría que la explique. Forma parte de los experimentos Sphenix y STAR en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC) en Nueva York, así como del experimento CMS en el CERN cerca de Ginebra. Su investigación estudia el comportamiento de los quarks y los gluones después de las colisiones, durante el lapso de tiempo submilisegundo en el que estas partículas se mueven libremente antes de volver a hadronizarse.

Estos experimentos han revelado detalles sobre la estructura de los quarks y los gluones en ese estado intermedio, así como el momento de la hadronización. Aun así, a Kunnawalkam Elayavalli le resulta frustrante observar sin comprender aún más.

El reino cuántico desafía los binarios, especialmente los gluones. Estas entidades elementales pueden tener tres cargas diferentes en múltiples configuraciones y deben existir en conjuntos que equilibren estas cargas. Para Kunnawalkam Elayavalli, es similar a sostener la multiplicidad de géneros que experimenta una persona no binaria.

Kunnawalkam Elayavalli en su oficina en el campus de la Universidad de Vanderbilt en Tennessee.

Emily April Allen para Quanta revista

Quanta revista Me reuní con ellos para hablar sobre los misterios de la física nuclear de flexión binaria, junto con su experiencia como transgénero, en Tennessee, nada menos, donde la legislación antitrans es Algunos de los más regresivos en el campo, mientras estudiaba ciencias naturales. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.

¿Qué entendemos sobre los quarks y los gluones?

En el Big Bang, debe haber existido una forma de materia, esta materia primordial hecha de quarks y gluones antes de convertirse en hadrones. La mejor comprensión de los quarks y gluones que conocemos proviene de la teoría de la cromodinámica cuántica, que se desarrolló en la década de 1970. La llamamos "cromo" porque introdujimos este nuevo concepto llamado carga de color. Los quarks y los gluones pueden tener tres cargas diferentes, y los físicos llamaron a esas tres cosas rojo, azul y verde. También puede haber antiquarks, lo que significa que hay anticolores: antirojo, antiazul y antiverde.

Para que quede claro, ¿esto no tiene nada que ver con el color tal como lo conocemos?

No hay una conexión real. Necesitábamos algo que viniera de tres en tres y que, al sumarse, se convirtiera en una cantidad cero. El color era un término razonable. Con la luz, cuando se combinan rojo, azul y verde, se obtiene luz blanca, que es neutra. Y si se combina un color y su anticolor, también se obtiene blanco. De manera similar, los quarks y los gluones por sí mismos tienen cargas de color, y todos los hadrones son combinaciones de color neutro de esos quarks y gluones. Todo lo que vemos en el mundo es neutro en cuanto al color.

Pero para complicar las cosas, los gluones tienen múltiples cargas de color: un color va en esta dirección, el otro color va en esa dirección. Los quarks tienen tres cargas de color. Los gluones tienen dos cargas de color.

¿Cómo sabemos que esta descripción es correcta?

 Nuestra validación de la teoría de la cromodinámica cuántica proviene de comparaciones con datos reales de colisionadores. Chocamos un electrón y un positrón, que es la antipartícula del electrón. Sabemos que cuando la materia se da la mano con su propia antimateria, explota. Esa explosión de energía se convierte en un par de quarks y antiquarks. La probabilidad de que ese proceso ocurra fue [bien] descrita por la teoría de la cromodinámica cuántica.

Así es como sabemos que la teoría puede modelar quarks y gluones. Lo que no puede hacer es describir quarks y gluones cuando se agrupan en hadrones. En ese punto, la teoría se descompone en la región que llamamos física no perturbativa, no calculable. Todos nuestros cálculos explotan ante nosotros. Literalmente explotan, en el sentido de que los términos van hasta el infinito. Ahí es donde nuestra comprensión teórica nos falla.

¿Cómo utilizan usted y sus colegas los colisionadores de partículas para comprender mejor ese proceso?

El RHIC hace colisionar núcleos de átomos de oro. Cuando se hace eso, se vierte mucha energía en el sistema, porque se colisionan varios protones y neutrones. Esos tipos tienen tanta energía que se recrea un poco el Big Bang.

Lo llamamos el Pequeño Explosión. Y a partir del Pequeño Explosión, se obtiene un período de tiempo muy breve, 10-22 segundos, yoctosegundos. En ese breve lapso de tiempo, aparece un fluido llamado plasma de quarks y gluones, y todos los quarks y gluones se comunican entre sí. Es una bola de fuego. Luego evoluciona. Se expande. Se enfría. En algún momento, alcanza la temperatura a la que los quarks y los gluones se convierten en hadrones.

Empezamos con los hadrones que colisionamos. Después pasamos a los quarks y los gluones, y después volvemos a los hadrones. La hadronización está ocurriendo delante de nosotros cada vez que hacemos funcionar nuestros colisionadores en cualquier colisionador en la historia de la física. El hecho de que no podamos entenderlo a un nivel cuantitativo o incluso a un nivel cualitativo, ¡es exasperante! Una de las principales fuerzas impulsoras de mi investigación es observarlo y tratar de averiguar qué está pasando aquí.

En mi cabeza, me imagino a todos tomando una foto con una pequeña cámara y estudiando la explosión.

Bueno, básicamente sí.

He aquí una analogía sencilla. Supongamos que trabajas en pruebas de seguridad de automóviles. Colocas un muñeco en el automóvil, aceleras el vehículo, chocas contra un bloque y luego observas lo que le sucede al cuerpo del muñeco para determinar si es seguro y si los airbags funcionan.

Ahora imagine que solo tiene una fotografía del lugar de la prueba de choque varios años después y una fotografía del auto intacto antes del choque.

Ese desfase temporal de varios años en la analogía refleja el desfase temporal de un segundo entre la colisión y su capacidad para capturarla, ¿correcto?

Sí, está sucediendo en un lapso de tiempo muy breve y no hay forma de detenerlo.

Entonces, miras esas dos fotografías y dices: Sé que la mano del muñeco empezó aquí y terminó aquí. ¿Qué otras pistas hay en la fotografía que puedo usar para recrear la trayectoria de la mano del muñeco?

Creo un algoritmo de reconstrucción. Desde aquí, la mano vuelve a este punto y luego recopilo más información y luego vuelvo más atrás. Puedo estimar lo que sucede en teoría a través de una simulación.

Tenemos un proceso iterativo en el que aprendemos. Hacemos una predicción; los datos no coinciden. Actualizamos la predicción; la comparamos con datos más recientes. Tal vez coincida.

Hacer esto en los niveles más pequeños de materia que nos rodea es realmente de lo que se trata la física nuclear de partículas y de alta energía.

¿Qué has descubierto? 

Medimos chorros, que son estructuras cónicas formadas por un rocío de hadrones y otras partículas y fragmentos de partículas que salen disparados de una colisión. Reconstruimos y estudiamos la subestructura de estos chorros.

Si analizamos la distribución de partículas dentro del chorro, si miro las partículas que están muy alejadas unas de otras, esa es una región muy calculable del chorro. A medida que la escala de distancia se acerca, esa región pasa a ser incalculable o no perturbativa. Hemos identificado una escala específica en la que ya no se puede hablar de quarks y gluones como quarks y gluones; hay que hablar de ellos como hadrones.

En nuestra búsqueda a largo plazo para identificar cómo se produce la hadronización, hemos descubierto con nuestros datos y nuestros cálculos que la hadronización parece ocurrir en esa escala de distancia fija, llamada región de transición. Puedo convertir esa distancia en tiempo. Así que finalmente estamos llegando al punto en el que sabemos exactamente cuándo se produce la hadronización.

¿Las propiedades de los quarks y los gluones resuenan en usted como persona no binaria?

Sí, creo que el simple hecho de que los gluones tengan cargas de múltiples colores significa que son criaturas fundamentalmente no binarias y que son la piedra angular de todo lo que nos rodea.

Este es un aspecto más colorido de la naturaleza. Nos dice que hay algo más que la simple carga binaria positiva o negativa. Hay muchas más opciones de colores. Hay muchos más sabores en la sopa.

¿Qué significa para usted mirar estas partículas?

 Estoy en un viaje hacia el autodescubrimiento, junto con mi viaje intelectual para comprender los quarks y los gluones y cómo evolucionan. Todo, en mi opinión, tiene un camino de evolución.

Empecé en una sociedad [en el sur de la India] que era muy binaria en su representación visual. Había roles de género claramente definidos. Al venir a los Estados Unidos y pasar 15 años en este país, me llevó mucho tiempo darme cuenta de lo que podría entender como yo misma. La idea de no binario, de no pertenecer a una determinada representación, me llevó mucho tiempo darme cuenta de eso.

La primera vez que me di cuenta de que esto era una posibilidad, de que la transición podría ocurrir, fue en el CERN. Mi colega apareció con un vestido puesto. Y yo le dije: ¡Oh, tú puedes hacerlo!

En el mundo de la física no hay muchas personas queer o trans. La representación es muy importante para mí, y aparecer y estar ahí como una persona abiertamente trans, representando mi campo, mi área de estudio —que es fundamentalmente no binaria por naturaleza— es un aspecto muy importante de mi trabajo diario.

Pero es difícil. Nuestro representante de Tennessee en el Congreso acaba de presentar un proyecto de ley que elimina la financiación federal a cualquier institución que facilite “la disociación de cualquier individuo de su sexo”. Así dice el proyecto de ley.

Están atacando a los seguros. Están atacando a las universidades.

¿Cómo puedes pensar en física cuando estás pensando en todo eso?

El cincuenta por ciento de mi cerebro está pensando en cómo puedo sobrevivir, y en el cincuenta por ciento restante del cerebro puedo pensar en física.

Soy física, pero antes de eso soy una persona. Si alguien quiere hablar de física conmigo, no solo podrá conocer mis conocimientos de física, sino que también podrá saber que soy una persona trans y que conozco el entorno en el que me piden que haga mi investigación.

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