Fotograma de la película Maniac (1934), con Horace B. Carpenter en el papel del "Dr. Meirschultz" [fuente: wikipedia commons]

En las películas de ciencia ficción se suele mostrar la ciencia como una actividad llevada a cabo en soledad: una persona muy inteligente que trabaja sentada en un laboratorio montado en su sótano, y que descubre un secreto que demuestra que toda la ciencia precedente era errónea. A esto suelen seguir explosiones, desastres naturales, y/o la conversión del científico en un supervillano. Sin embargo, no es así como se hace ciencia en la vida real: nadie trabaja aislado, en realidad el progreso nace de la unión entre muchos campos de investigación, con grandes colaboraciones, a menudo internacionales, de personas que trabajan en cada pequeño paso. Y esto cada vez es más cierto en la época actual: a medida que los problemas se hacen más y más difíciles, las colaboraciones se vuelven aún mayores. La mecánica cuántica fue desarrollada por un numeroso grupo de científicos, la mayoría de los cuales no pasará a la historia. La relatividad especial y general no fueron desarrolladas solo por Einstein, que, a pesar de la imagen popular, estaba en contacto directo con otros físicos y matemáticos, especialmente durante el desarrollo de la relatividad general.

La investigación interdisciplinar es necesaria en casi todos los campos científicos; en particular, en el que más me interesa, desarrollo y trabajo: la relación entre la computación de altas prestaciones (HPC, por sus siglas en inglés), la cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés) y la física de astropartículas. Mi trabajo tiene lugar en la parte de QCD de la cadena, con el objetivo de determinar los llamados "términos sigma" que describen la respuesta de los protones y neutrones a la interacción con partículas escalares, como el bosón de Higgs. Dichas interacciones nos permiten extraer información sobre la estructura interna de protones y neutrones, pero aún más interesante es que establecen una conexión con la naturaleza de la materia oscura.

Como sabrán muchos lectores, la materia oscura es la explicación más plausible de numerosas observaciones astrofísicas y cosmológicas, a través de la hipótesis de la existencia de materia sin interacciones electromagnéticas, y que por lo tanto no podemos "ver" (de ahí el término "oscura"), pero que influye en el movimiento de estrellas y galaxias enteras a través de la interacción gravitatoria. Los modelos más comunes de los posibles constituyentes de la materia oscura parten del concepto de "partícula masiva débilmente interactiva" (WIMP, por sus siglas en inglés): nuevas partículas con masas algo mayores que las partículas elementales conocidas, y que podrían estar en el rango de energías accesible para LHC (donde sería posible por lo tanto crearlas en colisiones de protones), o de experimentos que tratan de detectar partículas de materia oscura a través de sus colisiones con núcleos atómicos (como XENON, CDMS, y muchos otros). Otros modelos muy en boga proponen, al contrario, la existencia de nuevas partículas en el otro extremo de la jerarquía de energías: es decir, con masas mucho menores que las de las partículas conocidas. Los recientes resultados del experimento XENON1T tienen, entre otras, una interpretación en términos de esta hipotética clase de materia oscura.

Distribución a gran escala de la materia oscura [NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology, disponible en <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:COSMOS_3D_dark_matter_map.png" target="_blank">wikipedia commons</a>]

En el contexto de la relación entre QCD y los modelos de materia oscura, lo que querríamos evitar es una situación de Tetera de Russell, en la que se reacciona a un resultado experimental que refuta un modelo diciendo que el experimento no es lo suficientemente sensible, lo que se podría iterar al infinito sin aceptar jamás la refutación. Para eso necesitamos saber en detalle cómo interactuaría un candidato concreto a constituir la materia oscura con la materia ordinaria, y ahí es donde los términos sigma entran en juego, ya que determinan una de las principales contribuciones a la intensidad de la interacción. Conociendo el valor de los términos sigma, podemos determinar dónde se espera encontrar una señal.

La relación entre QCD y HPC es algo más directa: para realizar los cálculos necesarios es preciso llevar a cabo costosas simulaciones en superordenadores. La QCD describe las interacciones entre los quarks y gluones que constituyen protones y neutrones, y la complejidad de las mismas es inabordable para los métodos analíticos, que usan papel, lápiz y, a lo sumo, recursos modestos de computación. Para entender la estructura subnuclear, lo que hacemos es aproximar el espaciotiempo como una red discreta de puntos, similar a la estructura de un cristal, en la que viven los quarks y gluones. Esto permite tanto definir de manera rigurosa las cantidades que se estudian, como calcularlas numéricamente a través de una simulación de la dinámica. Los detalles de este procedimiento darán para más entradas dedicadas (manténganse en línea). La información más importante es que la formulación de algoritmos eficientes para realizar la simulación, así como la escritura de códigos paralelizados masivamente, son partes consustanciales del trabajo.

Superordenador Summit [fuente: <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Summit_(supercomputer).jpg" target="_blank">wikimedia commons</a>]

Aunque esta red de conexiones entre disciplinas científicas quizás no tenga el glamour de la relatividad einsteiniana, o la conexión entre termodinámica y agujeros negros establecida por Hawking, ilustra de manera muy descriptiva la necesidad de un enfoque interdisciplinar, y cómo es importante, y no solo para los científicos, trabajar en equipo para resolver los problemas del mundo contemporáneo. También espero que alivie el temor de que esté próxima la aparición de algún científico supervillano, ya que eso requeriría que muchos de nosotros nos pasáramos al lado oscuro simultáneamente; y eso es muy poco probable, ¿verdad?

 

Este post ha sido escrito por Daniel Jenkins, investigador del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Ratisbona. [Traducción: IFT UAM-CSIC]

Agradecemos la financiación recibida del Programa para la Investigación y la Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, como parte del acuerdo Marie Skłodowska-Curie No. 813942 (EuroPLEx).

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EuroPLEx (European network for Particle physics, Lattice field theory and Extreme computing) es una Red de Formación Innovadora Marie Skłodowska-Curie, financiada por la Comisión Europea como parte del programa H2020 y en la que participan nueve grandes instituciones de toda Europa.

Nuestra misión es formar a investigadores e investigadoras predoctorales en las áreas de física teórica y física de partículas, con énfasis en la cromodinámica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de quarks y gluones.

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Un blog colectivo sobre quarks, superordenadores y (des)confinamiento, de los investigadores de la Red Europea EuroPLEx.

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