Una inesperada anomalía en el comportamiento de los quarks desconcierta a los físicos tras un experimento con 1.000 millones de electrones

En 2018, mientras en todo el mundo se vivía una rutina tecnológica alimentada por smartphones y avances en inteligencia artificial, en un rincón del Jefferson Lab de Virginia, un grupo de físicos estaba apuntando haces de electrones de altísima energía hacia blancos de hidrógeno y deuterio. Su propósito no era menor: intentar detectar desviaciones mínimas en cómo los quarks, las partículas que forman protones y neutrones, se agrupan tras una colisión. En ese momento, pocos imaginaban que estaban a punto de obtener resultados capaces de cuestionar uno de los pilares más estables de la física: la simetría de carga.

El experimento, dirigido por el físico Dipangkar Dutta y publicado en Physics Letters B, ha puesto en evidencia una sutil pero persistente asimetría en el comportamiento de los quarks. Lo que debía ser un resultado estable y simétrico, según los modelos actuales, presentó una desviación que obliga a revisar las bases de la física subatómica. Este hallazgo no solo desafía nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales, sino que también tiene implicaciones en futuros experimentos y tecnologías que dependen del comportamiento preciso de las partículas más pequeñas conocidas.

¿Qué se esperaba que hicieran los quarks?

En física de partículas, uno de los principios más sólidos ha sido la simetría de carga e isospín (CS/IS, por sus siglas en inglés). Esta simetría implica que los quarks tipo up y down, que forman protones y neutrones, se comportan de forma idéntica cuando se ignoran diferencias muy pequeñas como la masa. Esta idea permite simplificar enormemente las ecuaciones de la física nuclear y ha sido confirmada una y otra vez en experimentos anteriores.

Pero el experimento reciente encontró algo inesperado. Se analizaron más de mil millones de interacciones de electrones con núcleos de hidrógeno y deuterio, y se observó cómo los quarks generaban piones cargados, unas partículas subatómicas muy comunes en estos choques. Al comparar los resultados con las predicciones teóricas, surgieron diferencias que no deberían existir si la simetría se mantuviera en todos los casos. Lo que parecía ser una excepción aislada terminó siendo una anomalía persistente a energías más bajas.

Cómo se diseñó el experimento y por qué fue tan preciso

El equipo utilizó un haz de electrones de 10,2 y 10,6 GeV en Hall C del Jefferson Lab, con espectrómetros de alta precisión capaces de detectar tanto electrones dispersos como piones emitidos. Gracias a una meticulosa planificación experimental y sistemas de detección extremadamente sensibles, se logró una resolución inusual incluso para estándares de física de partículas.

La técnica se basó en procesos de dispersión inelástica profunda semi-inclusiva (SIDIS), que permite estudiar cómo los quarks se convierten en partículas visibles como los piones. Este proceso revela la llamada “función de fragmentación”, que describe la probabilidad de que un quark se transforme en un cierto tipo de partícula. El estudio se centró en ver si estas funciones dependían del tipo de quark, algo que no debería ocurrir si la simetría se cumpliera plenamente.

Según el paper original, «las funciones de fragmentación esperadas deben respetar la simetría de carga/isospín con alta precisión, ya que el proceso de fragmentación está dominado por la interacción fuerte».

Resultados que rompen las reglas

Los resultados mostraron que, en ciertos rangos de energía, las funciones de fragmentación no eran idénticas para los distintos sabores de quarks. En palabras del artículo: “la variación en el parámetro δCSV indica una posible violación de la simetría en los quarks no favorecidos a bajas energías”. Esto significa que la probabilidad de que un quark se transforme en un tipo de partícula cambia según su sabor, lo que no encaja con los modelos tradicionales de la cromodinámica cuántica (QCD).

Uno de los puntos clave del estudio es que la violación solo se observa claramente a energías más bajas, por debajo de los 3 GeV. A energías más altas, el comportamiento vuelve a encajar con las predicciones. Esto sugiere que los modelos actuales funcionan bien en ciertas condiciones, pero fallan al describir la dinámica a otras escalas, lo que podría requerir incorporar correcciones más complejas conocidas como «contribuciones de orden superior» o “efectos de twist”.

Además, se identificó que los efectos eran más evidentes en los denominados quarks no favorecidos, es decir, aquellos que no suelen fragmentar en piones de manera directa. Estos canales tienen menor estadística, pero al ser analizados con cuidado, revelaron diferencias estadísticamente significativas.

Por qué esto es importante para la física actual y futura

Este hallazgo no es un simple matiz técnico. Si se confirma, podría implicar que muchas mediciones pasadas han sobreestimado la exactitud de la simetría de carga en fragmentaciones subatómicas. Esto afecta de manera directa los modelos que usamos para interpretar datos de aceleradores de partículas y para prever el comportamiento del universo en sus primeros instantes.

En particular, afecta a los modelos de tomografía hadrónica, una técnica emergente que busca mapear la distribución de quarks dentro de los protones y neutrones. Esta técnica es fundamental para el desarrollo del futuro Colisionador Electrón-Ión, una de las apuestas científicas más ambiciosas del próximo decenio.

Además, los resultados sugieren que la simetría puede no ser tan exacta como se creía, y que podrían existir mecanismos internos más complejos dentro del protón y el neutrón que aún no comprendemos del todo. Entender estas anomalías será clave para avanzar hacia teorías más precisas que conecten la física de partículas con fenómenos cósmicos como la formación de materia en el universo primitivo.

Qué se sabe y qué falta por descubrir

Los propios autores son prudentes. Aunque algunos valores de las funciones de fragmentación parecen violar la simetría, estas desviaciones se encuentran dentro del margen de incertidumbre experimental, especialmente en los canales no favorecidos. El artículo concluye que “los resultados confirman que para W > 3 GeV, donde la factorización es más aplicable, las funciones de fragmentación son independientes del sabor del quark”.

Esto no significa que el hallazgo sea descartable. Al contrario, indica que se necesita mayor precisión y nuevos enfoques experimentales para confirmar o refutar la violación sistemática de simetrías. El propio equipo propone usar técnicas como la identificación del espectador (spectator tagging) para estudiar la fragmentación desde neutrones casi libres, lo que permitiría afinar los resultados y reducir la incertidumbre.

Se abre así una etapa apasionante para la física de partículas. A partir de este experimento, futuras investigaciones podrán diseñarse para evaluar si las pequeñas anomalías observadas son fluctuaciones estadísticas o si esconden una física aún no explorada que podría modificar nuestra comprensión de las fuerzas fundamentales.