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  • 07/11/2017

Física de partículas

La fusión de partículas subatómicas exóticas podría desprender mucha energía

Las partículas subatómicas también pueden fusionarse y liberar así energía. Las aplicaciones prácticas, sin embargo, no están al alcance de la mano.

Nature

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Se ha calculado la energía que se desprendería con la fusión de partículas subatómicas constituidas, como el protón o el neutrón, simbolizado en esta figura, por tres quarks, pero siendo uno de ellos, no de los ligeros, el arriba (u) y el abajo (d), sino de un tipo más pesado, el encanto o el fondo. Es tan grande que Marek Karliner, uno de los dos autores del cálculo, ha declarado a la publicación Live Science que hasta se pensó en no publicarlo. Pero las aplicaciones prácticas de tal forma de fusión no están precisamente al alcance de la mano [Javierha, modificación de una ilustración de Harp].

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Un análogo subatómico de la fusión nuclear libera tanta energía como la fusión de los isótopos del hidrógeno o del helio, y según las partículas que se fusionasen podría liberar aún más. Lo explican en Nature Marek Karliner, de la Universidad de Tel Aviv, y Jonathan L. Rosner, de la Universidad de Chicago. Basándose en consideraciones teóricas muestran que dos bariones (partículas compuestas por tres quarks) del tipo Λc (que, aparte de dos quarks ligeros, como los que componen protones y neutrones, incluye un quark pesado del tipo denominado encanto) pueden fusionarse creando una partícula con una mayor energía de enlace, para lo que ha de liberarse energía cinética.

El proceso recuerda, a nivel subatómico, a lo que ocurre cuando los núcleos atómicos más ligeros se fusionan: la energía necesaria para separar los protones y neutrones del núcleo que se forma, o energía de enlace, es mayor que en el caso de los núcleos que se fusionan, y en la creación de ese núcleo mayor se desprende energía. Por ejemplo, en la fusión de dos núcleos de tritio o de dos núcleos de helio-3 se desprenden algo menos y algo más de doce millones de electronvoltios, una cantidad parecida a la predicha para la fusión de dos Λc.

La humanidad satisface la mayor parte de sus necesidades energéticas, desde que supo que quemar madera desprende energía, gracias a la energía de ligadura de la materia. Las sustancias ricas en carbono se transforman al interaccionar con el oxígeno; los neutrones descomponen el uranio y el plutonio en núcleos más ligeros; y en las estrellas se fusionan el hidrógeno y otros núcleos ligeros. Karliner y Rosner han ampliado ahora el principio al campo subatómico: algunos bariones podrían reordenar sus quarks de forma que se liberarían grandes cantidades de energía.

La presencia de quarks pesados es la clave de esa elevada liberación de energía: la ligadura entre ellos es muy intensa. Karliner y Rosner han calculado que dos Λc pueden reaccionar para crear un neutrón y un barión Ξcc++, una partícula descubierta hace poco en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, que consta de dos quarks encanto y un quark ligero del tipo arriba, y cuya masa había sido predicha correctamente por los propios Karliner y Rosner basándose en una elevada energía de enlace entre los quarks encanto, de la que, a su vez, depende la alta producción de energía en la fusión de los Λc.

Y la energía de enlace entre los quarks aumenta con su masa: la misma reacción con partículas Λb, que en vez de un quark encanto contienen un quark fondo, que es aún más pesado, liberaría unas diez veces más energía. Pero estos procesos, dicen los dos investigadores, no son, sin embargo, adecuados para su aplicación práctica de una forma que hoy resulte concebible.

Otra llamativa consecuencia de la fuerte energía de enlace entre los quarks pesados, explican Karliner y Rosner, es que la fusión, no de bariones, sino de mesones pesados, es decir, partículas formadas solo por un quark y un antiquark, pero uno de los cuales es pesado, podría crear tetraquarks (partículas formadas por cuatro quarks) relativamente estables. Hasta hace poco los tetraquarks eran meramente hipotéticos, pero en años recientes ha habido varias detecciones posibles de esta nueva forma de partícula. 

Lars Fischer/spektrum.de

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Spektrum der Wissenschaft.

Referencia: «Quark-level analogue of nuclear fusion with double heavy baryons», de Marek Karliner y Jonathan L. Rosner, en Nature 551, 89-91 (2 de noviembre de 2017); puede leerse también en arXiv:1708.02547v1 [hep-th].

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