Durante décadas, la física cuántica ha predicho la creación espontánea de partículas a partir de un espacio aparentemente vacío, un concepto conocido como partículas virtuales. Ahora, por primera vez, los científicos del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) han rastreado la evolución de estas partículas “algo de la nada”, confirmando su existencia y comportamiento en un experimento innovador. Los hallazgos, publicados en Nature, proporcionan evidencia directa de la existencia de partículas que se originan en el vacío cuántico y arrojan luz sobre cuestiones fundamentales sobre la masa y la naturaleza de la realidad.
El vacío cuántico: no tan vacío
El universo, en su nivel más básico, no está lleno de nada. En cambio, la teoría cuántica sugiere un “vacío” inquieto repleto de partículas virtuales que aparecen y desaparecen debido a la incertidumbre inherente a la mecánica cuántica. Estas partículas no duran mucho, ya que el principio de incertidumbre de Heisenberg dicta que no es posible conocer con precisión la energía y el tiempo. Esto permite que las partículas y sus contrapartes de antimateria “tomen prestada” brevemente energía del vacío, existiendo por momentos fugaces antes de aniquilarse.
Tradicionalmente, los efectos de estas partículas han sido indirectos: se han observado a través de su influencia sobre otros fenómenos. Pero los investigadores del RHIC ahora han observado el proceso directamente.
Colisiones y entrelazamientos: hacer real lo invisible
En el RHIC, los físicos hacen colisionar protones casi a la velocidad de la luz, creando condiciones de energía extrema. Estas colisiones proporcionan el “empuje” necesario para que las partículas virtuales se vuelvan reales. Cuando surge un par de partículas virtuales dentro de este entorno de alta energía, puede aprovechar la energía de la colisión para estabilizarse y persistir.
El experimento se centró en pares de quarks “extraños”: partículas fundamentales que, cuando se crean, se combinan rápidamente con otras para formar hiperones lambda. Estos hiperones tienen una vida corta y se desintegran casi instantáneamente en partículas detectables. Al rastrear los productos de desintegración, los físicos pudieron deducir la dirección de giro de los hiperones lambda originales y, fundamentalmente, el giro correlacionado de sus extraños quarks constituyentes.
La observación clave fue que estos quarks exhibían consistentemente espines paralelos. Esta alineación sugiere que se originaron como un par entrelazado en el vacío cuántico, conservando su conexión incluso cuando se separaron después de la colisión.
Confirmando una predicción de larga data
Los hallazgos validan una predicción teórica de hace 30 años realizada por el físico Dmitri Kharzeev y sus colegas. “Es emocionante ver que la naturaleza sigue esta predicción”, afirmó Kharzeev, destacando la importancia de la confirmación experimental para ideas teóricas de larga data.
La capacidad de observar este proceso abre nuevas vías para comprender uno de los mayores misterios de la física nuclear: el origen de la masa de los protones. Los quarks dentro de los protones sólo representan una pequeña fracción de su masa total; Se cree que el 99% restante proviene de interacciones con partículas virtuales en el vacío. Al rastrear el viaje desde las partículas virtuales a las reales, los científicos esperan desentrañar cómo se genera esta masa.
Fin de una era, amanecer de nuevas investigaciones
RHIC concluirá su funcionamiento de 25 años esta semana, con partes de la máquina reutilizadas para el próximo colisionador de iones de electrones. Esta nueva instalación promete aprovechar estos descubrimientos y explorar más a fondo la dinámica oculta del vacío cuántico y los componentes fundamentales de la materia.
La observación directa de partículas que emergen de la nada representa un gran paso adelante en nuestra comprensión del universo, reduciendo la brecha entre la teoría y la experimentación en el ámbito de la física cuántica. Las implicaciones de esta investigación seguirán desarrollándose a medida que los científicos traspasen los límites de lo que sabemos sobre la naturaleza de la realidad.
