La interacción fuerte es la responsable de la estabilidad de la materia, evitando que nosotros y todo lo que nos rodea nos desintegremos. Esta fuerza, la más intensa de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, es aproximadamente 100 veces más fuerte que la fuerza electromagnética y unas 106 veces superior a la fuerza débil, además de ser 1038 veces más intensa que la gravedad. Sin embargo, a pesar de su importancia, todavía no se comprende completamente, lo que ha llevado a los físicos nucleares a realizar numerosos experimentos a lo largo de los años.
Las más recientes investigaciones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han permitido cuantificar con gran precisión la intensidad de la interacción fuerte a energías cada vez más altas, alcanzando ya el orden de 7 teraelectronvoltios.
La distancia y su efecto en la interacción fuerte
La acción de esta fuerza sobre las partículas elementales que componen el núcleo atómico, como los quarks y gluones, depende en gran medida de la distancia entre ellas. A medida que se separan, la intensidad de la interacción fuerte aumenta, mientras que a distancias cortas, esta fuerza se desvanece. Este fenómeno, conocido como “libertad asintótica”, fue reconocido con un Premio Nobel en 2004. La interacción es tan intensa que las distancias necesarias para que deje de operar resultan inalcanzables, lo que significa que nunca llega a ser cero.
El efecto de “confinamiento” se presenta cuando dos quarks se separan lo suficiente, generando energía suficiente para crear nuevos quarks. Estos nuevos quarks se asocian inmediatamente con los originales, lo que provoca que estas partículas no puedan ser observadas de forma aislada, sino que se encuentran “confinadas” en grupos de dos o más, llamados hadrones.
El papel del LHC en la investigación de la interacción fuerte
Estudiar interacciones a distancias más pequeñas requiere mayores energías, similar a cómo una cuerda de guitarra más corta produce notas más agudas. Por tanto, se necesitan colisionadores de alta energía como el LHC, que sigue recogiendo datos precisos sobre el comportamiento de las interacciones fundamentales. Estos datos, al ser comparados con la teoría, muestran una sorprendente coincidencia.
Las medidas experimentales en el LHC a menudo consisten en determinar la probabilidad de que ocurran ciertos procesos en función de variables como la energía o el momento de las partículas observadas. Sin embargo, debido al confinamiento, cuando se crea una partícula tras una colisión, lo que se observa es un chorro que arrastra decenas de partículas que han perdido la capacidad de interactuar fuertemente entre sí.
La teoría que describe la interacción fuerte es la cromodinámica cuántica (QCD), que incluye un parámetro clave, la constante de acoplamiento αs. Esta constante mide cuán intensa es la interacción, definiendo la probabilidad de que dos partículas interaccionen fuertemente a una cierta distancia. La investigación ha permitido describir matemáticamente la teoría con diferentes grados de aproximación.
En 2023, el experimento ATLAS del LHC publicó una de las medidas más precisas de la constante de acoplamiento αs, determinando su valor en escalas de distancia entre 0,87 y 0,88 femtómetros, mientras que nuevos resultados la reducen a 0,84 femtómetros. Esta precisión se logró mediante el uso de predicciones teóricas a tercer orden en cromodinámica cuántica, tras veinte años de trabajo intenso.
Recientemente, a finales de 2024, un grupo de físicos de cinco países publicó un estudio sobre la intensidad de la interacción fuerte, determinando la constante de acoplamiento a escalas de energía un 70% más altas que las anteriores. Estos nuevos resultados son el resultado de la combinación de distintas medidas experimentales en dos experimentos diferentes.
La comprensión precisa de la interacción fuerte es fundamental para la física de partículas actual. Mientras la teoría sigue ajustándose a los datos experimentales, la exploración de este territorio inexplorado podría revelar desviaciones que hintarían el descubrimiento de nuevas partículas desconocidas. La única forma de seguir avanzando es a través de experimentos más precisos a energías más altas, asegurando que ni nosotros ni el universo nos desintegremos.
Javier Llorente Merino recibe fondos del programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid.
