Descubren partículas que salen directamente del vacío por primera vez en la historia

La física teórica lleva décadas advirtiendo de que el espacio vacío es una ilusión y en realidad está lleno de partículas virtuales que parpadean en la nada y desaparecen antes de que nadie pueda verlas. Ahora, el equipo STAR del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York, ha publicado en Nature la primera evidencia experimental de que esas partículas fantasma pueden convertirse en materia real y detectable.

El equipo del STAR del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York, ha logrado obtener una huella cuántica directa del origen de estas partículas en el vacío. Para conseguirlo, los investigadores hicieron colisionar protones a alta energía en el acelerador RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) y buscaron, entre los millones de partículas resultantes, pares de partículas de materia y antimateria (hipérones lambda y antilambda) cuyos espines —una especie de giro cuántico propio de cada partícula— estuvieran perfectamente alineados.

Esa alineación es la firma inconfundible de los pares virtuales de quarks y antiquarks que pueblan el vacío cuántico. Un quark es la pieza fundamental con la que está construida la materia visible del universo. Esta partícula elemental jamás puede existir sola en la naturaleza y siempre se agrupa de inmediato con otras para ensamblar partículas más grandes como los protones o los neutrones. "Es la primera vez que somos capaces de ver directamente que los quarks que forman estas partículas vienen del vacío, es una ventana directa a las fluctuaciones del vacío cuántico", afirma Zhoudunming Tu, físico del STAR y codirector del estudio.

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Los investigadores observaron que cuando los lambda y antilambda emergían juntos y próximos entre sí de la colisión, sus espines estaban alineados al 100%, exactamente igual que los pares virtuales de quarks extraños del vacío del que procedían. "Es como si estos pares de partículas empezaran como gemelos cuánticos. Cuando se generan cerca el uno del otro, los lambdas conservan la alineación de espín de los quarks extraños virtuales de los que nacieron", explica Jan Vanek, físico de la Universidad de New Hampshire que lideró el análisis de datos.

El origen de los quarks

La base del descubrimiento está en una teoría llamada cromodinámica cuántica (QCD), que describe la fuerza que mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. Según la QCD, el vacío perfecto no existe: está repleto de perturbaciones energéticas efímeras —las partículas virtuales— que incluyen pares de quarks y antiquarks. Bajo condiciones normales, estos pares se aniquilan en un instante. Pero si se les inyecta suficiente energía, como la que generan las colisiones de protones en el RHIC, pueden convertirse en partículas reales con masa medible.

El truco para identificarlos es que los quarks no pueden existir solos, en cuanto emergen del vacío se combinan para formar partículas compuestas. En este caso, forman hiperones lambda, que se desintegran en escalas de tiempo muy pequeñas. Aunque es un tiempo suficiente para dejar una pista detectable: la alineación de espín heredada del vacío.

Los lambda son ideales para este tipo de análisis porque la dirección de su espín puede inferirse a partir de la dirección en la que emiten un protón al desintegrarse. El equipo examinó datos de millones de colisiones, eliminando sesgos y señales falsas, hasta identificar esa correlación de espín que señalaba inequívocamente al vacío cuántico como origen de los quarks.

Una ventana al origen de la materia

Este descubrimiento abre una vía completamente nueva para atacar uno de los grandes problemas no resueltos de la física, cómo los quarks, que se mueven libres, acaban confinados dentro de protones, neutrones e hipérones, y de dónde viene la masa de esas partículas. "Este trabajo nos da una ventana única al vacío cuántico que puede abrir una nueva era en nuestra comprensión de cómo se forma la materia visible y cómo emergen sus propiedades fundamentales", señala Tu.

Aun así, como dice en declaraciones para New Scientist, Alessandro Bacchetta, investigador de la Universidad de Pavía (Italia) que no ha participado en el estudio, el resultado aún no es definitivo, ya que reconstruir los acontecimientos a partir de colisiones de partículas puede resultar complejo. Los investigadores, asegura, deben descartar primero de forma exhaustiva otras posibilidades que podrían haber dado lugar a la misma señal.

Esto podría lograrse extendiendo la técnica más allá del RHIC. El siguiente paso del equipo de STAR es probarla en el Electron-Ion Collider (EIC), un futuro acelerador que se construirá en Brookhaven reutilizando gran parte de la infraestructura existente, y que proporcionará herramientas aún más precisas para explorar la conexión entre el vacío y la masa del universo visible. La idea es usar pares de quarks virtuales como sondas, enviándolos a través de distintos tipos de núcleos atómicos para estudiar cómo la materia se forma y evoluciona en entornos cada vez más complejos.

La transición entre los estados cuántico y clásico de la materia es un problema central para el desarrollo de tecnologías cuánticas. "El problema, en su núcleo, podría tener impacto en otros desarrollos tecnológicos paralelos que requieren estudiar esta transición cuántico-clásica porque, al fin y al cabo, la física es la misma", apunta Tu. En otras palabras, entender cómo algo tan concreto como un hipérón hereda su estructura del vacío más puro podría tener consecuencias para el diseño de ordenadores y sensores cuánticos de la próxima generación.