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En su búsqueda de conocimiento acerca de las propiedades básicas de la materia, los científicos cuentan ahora con tres supercomputadoras que se encuentran entre las más veloces del mundo.

Los físicos de partículas se están embarcando en un nuevo intento de resolver los misterios de los quarks con la puesta a punto de las tres supercomputadoras más poderosas que se hayan aplicado a este problema, incluyendo una en la Universidad de Edimburgo que será utilizada por Cromodinámica Cuántica del Reino Unido (UKQCD = United Kingdom Quantum Chromodynamics), una colaboración de científicos de siete universidades británicas.

Los quarks son las partículas fundamentales que componen el 99,9 por ciento de la materia ordinaria, y sin embargo es imposible examinar a un único quark en el laboratorio. En consecuencia, algunas de las propiedades básicas de los quarks continúan siendo desconocidas, como ser sus masas precisas, o la razón por la cual existen seis tipos diferentes de ellos. Los quarks se mantienen unidos por la Interacción Fuerte, la cual es débil cuando los quarks están próximos entre sí, pero aumenta rápidamente cuando se intenta separarlos, lo que hace imposible el aislamiento de un único quark. Por éso, la teoría que describe la Interacción Fuerte, llamada Cromodinámica Cuántica (QCD = Quantum Chromodynamics), debe ser simulada en enormes computadoras.

En la QCD de Enrejado el espacio-tiempo es considerado aproximadamente como una caja cuatri-dimensional de puntos, similar a las capas de un cristal. Crédito: Ian McVicar

La computadora de Edimburgo es la primera de tres máquinas similares y ha estado en operación desde enero de 2005. La segunda fue inaugurada el 2 de junio de 2005 en el Centro RIKEN de Investigación de Brookhaven en el Laboratorio Nacional de Brookhaven de los EE.UU.. La tercera es parte del Programa de Alta Energía y Física Nuclear del Departamento de Energía de los EE.UU., y también se encuentra ubicada en Brookhaven donde actualmente se encuentra bajo comprobación.

Las computadoras fueron construidas con chips procesadores diseñados específicamente para este propósito, conocidos como QCD-en-un-chip, o QCDOC (QCD-on-a-chip). Si bien es un poco más lento que el microprocesador de un laptop, el chip QCDOC fue diseñado para consumir un décimo de su energía eléctrica, de modo que decenas de miles de ellos pueden ser instalados en una sola máquina. Las computadoras fueron diseñadas y construidas conjuntamente por la Universidad de Edimburgo, la Universidad de Columbia (EE.UU.), el Centro RIKEN de Investigación de Brookhaven (EE.UU.) e IBM.

Cada máquina QCDOC opera a una velocidad de 10 teraflops, o sea 10 billones (10¹²) de operaciones de punto flotante por segundo. En comparación, una computadora común de escritorio opera a unos pocos gigaflops (mil millones o 10⁹ de operaciones de punto flotante) por segundo, mientras que la BlueGene de IBM, una pariente cercana de QCDOC y que es la computadora más rápida del mundo, opera a más de 100 teraflops. La máquina de Edimburgo y parte del desarrollo del QCDOC fueron financiados a través de una Infraestructura Conjunta de Concesión de Fondos de 6,6 millones de libras administrada por PPARC. PPARC financia también a los científicos del Reino Unido en este campo.

El profesor Richard Kenway, quien encabezó la participación del Reino Unido en el proyecto QCDOC dijo: “Después de cinco años construyendo esta máquina, resulta emocionante poder computar en días las cosas que a cualquier otro le tomaría meses. Ahora estamos a punto de correr QCDOC por varios meses para lograr la simulación QCD más realista que se haya logrado hasta la fecha. Es como estar parado en la costa de un nuevo continente luego de un largo viaje; hemos escogido el rumbo de nuestra exploración, pero no sabemos qué vamos a encontrar”.

El Jefe Ejecutivo de PPARC, profesor Richard Wade, dio la bienvenida al comienzo de los trabajos de la supercomputadora QCDOC diciendo: “La colaboración QCDOC ha sido un grupo líder en el mundo por varios años, generando métodos de análisis muy elegantes para obtener lo máximo de los recursos de computación disponibles. Con el poder de la nueva supercomputadora en sus manos, serán capaces de realizar avances cruciales para nuestra comprensión de partículas fundamentales como los quarks”.

Los misterios de los quarks

- Los quarks nunca aparecen aislados, sino que siempre se ven en estados ligados de dos o más llamados hadrones, tales como los protones y neutrones que componen el núcleo atómico. Por lo tanto, la naturaleza oculta sus partículas fundamentales y quisiéramos comprender mejor la forma en que la interacción fuerte logra ésto.

El protón consiste de tres quarks, dos “up” y uno”down”, que viven en una sopa complicada de quarks, antiquarks y gluones dinámicos, que tienen cargas “de color”. La carga total de color en el protón es igual a cero. La QCD de Enrejado nos permite calcular la masa del protón y su estructura interna.Crédito: Ian McVicar

- Solamente se conoce con precisión la masa del quark llamado “t” (por top = cúspide), ya que los efectos QCD son pequeños para una partícula tan pesada. Para determinar las masas de los quarks más livianos (llamados “u” (por up = arriba), “d” (por down = abajo), “s” (por strange = extraño), “c” (por charmed = encantado) y “b” (por bottom = fondo), sus efectos QCD deber ser computados. Estas masas son necesarias para la comprensión detallada de muchos fenómenos, y deberían ser predichas finalmente por la muy buscada Teoría del Todo.

- Hay seis tipos de quarks, y ésto parece estar relacionado con la pequeña diferencia entre materia y antimateria (llamada violación CP) que puede ayudar a explicar la razón por la cual nuestro universo está dominado por la materia (y, por lo tanto, la razón misma de nuestra existencia). Las simulaciones QCD son necesarias para descubrir si nuestras teorías actuales pueden explicar ésto, o si hay una nueva física en funciones.

- Es muy probable que la Teoría del Todo permita la desintegración de los protones. Si ése es el caso, la vida del protón debe ser enorme, ya que nunca se ha observado esta desintegración. Los límites inferiores experimentales de este lapso vital, junto con las simulaciones QCD, ponen restricciones sobre lo que pueda ser la Teoría del Todo y ya han eliminado a algunos candidatos.

- A temperaturas y densidades enormemente altas, tales como las que se encuentran en las estrellas neutrónicas, la materia de todos los días, compuesta de quarks unidos, puede convertirse en un nuevo tipo de materia. Este cambio de fase, que está siendo buscado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven haciendo chocar núcleos de oro y plomo con altas energías, sería accesible para las simulaciones QCD. Lo que suceda puede decirnos qué es lo que pasa dentro de algunos de los objetos más exóticos del universo.

La colaboración UKQCD

UKQCD es una colaboración entre físicos de partículas de las universidades de Edimburgo, Southampton, Swansea, Liverpool, Glasgow, Oxford y Cambridge. Se formó en 1989 y ha utilizado una serie de computadoras de nueva arquitectura para las simulaciones QCD, convirtiéndose en uno de los proyectos principales de todo el mundo en este campo. QCDOC le proporciona por primera vez a UKQCD la computadora más rápida del mundo disponible para las simulaciones QCD.

Sobre PPARC

El Consejo de Investigación de Física de Partículas y Astronomía (PPARC = Particle Physics and Astronomy Research Council) es la agencia estratégica de inversión científica del Reino Unido. Financia la investigación, la educación y la difusión pública en cuatro grandes áreas de la ciencia: física de partículas, astronomía, cosmología y ciencia espacial).

PPARC está financiado por el gobierno y proporciona becas estudiantiles y de investigación a científicos de universidades británicas, le proporciona acceso a los científicos a instalaciones de clase mundial y financia la membresía del Reino Unido en cuerpos internacionales tales como la Organización Europea de Investigación Nuclear, el CERN, la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Austral Europeo. También contribuye con dinero para los telescopios del Reino Unido en el extranjero, en La Palma, Hawai, Australia y Chile, para el Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido en el Observatorio Real, Edimburgo, y para la Instalación Nacional MERLIN/VLBI.

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Web Site: PPARC
Artículo: “Solving the Mysteries of Quarks”
Fecha: Junio 02, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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