Cuando un tiburón busca alimento en el océano, no se desplaza de manera completamente aleatoria. Su movimiento sigue un patrón matemático conocido como vuelo de Lévy, donde se combinan trayectorias cortas con desplazamientos largos. Sorprendentemente, este mismo tipo de movimiento se ha encontrado en ámbitos tan distintos como la migración de bacterias, la economía y, ahora, en la física de partículas. En el mundo de la física de partículas, los experimentos de alta energía nos han permitido conocer las fuerzas fundamentales que rigen el universo. Pero en ocasiones, estos estudios revelan patrones que van mucho más allá de su campo de origen. Un equipo de investigadores ha descubierto que las partículas en colisiones de alta energía se mueven siguiendo un patrón matemático que también aparece en biología, economía y hasta en el clima. Se trata de los denominados Lévy walks, un tipo de movimiento que desafía la intuición y que parece repetirse en sistemas de escalas muy diferentes.
Un nuevo estudio publicado en Communications Physics revela que las partículas en colisiones de alta energía se mueven siguiendo un vuelo de Lévy, igual que los animales cuando cazan. Esta investigación, realizada por Dániel Kincses, Márton Nagy y Máté Csanád, muestra que los piones —partículas subatómicas resultantes de las colisiones— no siguen una trayectoria convencional, sino que presentan una distribución de movimiento inesperada. La distribución de los piones tras la colisión no es gaussiana, sino que sigue una ley de Lévy, explica el profesor Máté Csanád.
Qué es un vuelo de Lévy y cómo se diferencia de una caminata de Lévy
El vuelo de Lévy es un tipo de movimiento aleatorio donde las trayectorias siguen una distribución matemática de cola pesada, es decir, hay muchos desplazamientos cortos y algunos largos. Se diferencia del movimiento browniano, donde las trayectorias son más homogéneas y no hay grandes saltos.
Dentro del vuelo de Lévy, existen dos variantes:
- El vuelo de Lévy clásico, donde las partículas pueden hacer saltos de cualquier distancia en un instante, sin limitación de velocidad.
- La caminata de Lévy, en la que los desplazamientos largos tardan más tiempo en realizarse, porque la velocidad es finita.
En la investigación de ELTE, los piones parecen seguir una caminata de Lévy, ya que los saltos largos no ocurren instantáneamente, sino que dependen del tiempo de evolución de la colisión.
Colisiones de alta energía y el comportamiento inesperado de los piones
Las colisiones de iones pesados, como las realizadas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) o en el RHIC de Brookhaven, recrean condiciones similares a las del universo primitivo. Cuando los núcleos atómicos chocan a velocidades cercanas a la luz, la energía liberada es suficiente para formar un estado exótico de la materia llamado plasma de quarks y gluones (sQGP). Este estado, que existió microsegundos después del Big Bang, se expande rápidamente y se enfría, dando lugar a la formación de nuevas partículas, entre ellas los piones.
El equipo de ELTE analizó la distribución espacial de los piones tras la colisión, utilizando datos experimentales y simulaciones por ordenador. Lo esperado era que siguieran una distribución gaussiana, pero en su lugar mostraron un patrón de Lévy, con colas largas que indican la presencia de desplazamientos anómalos.
Este resultado contradice la suposición clásica de que las partículas en estos procesos siguen una difusión estándar. Dániel Kincses afirma que sus estudios basados en simulaciones muestran que la longitud de los pasos y la distribución final de los piones coinciden con la matemática del vuelo de Lévy.
El papel de la femtoscopía en el estudio del vuelo de Lévy
Para analizar estos procesos, los físicos utilizan una técnica llamada femtoscopía, que permite estudiar la estructura espacio-temporal de las colisiones en escalas extremadamente pequeñas, del orden de femtómetros (10⁻¹⁵ metros) y yoctosegundos (10⁻²⁴ segundos).
Gracias a esta técnica, se ha podido demostrar que el vuelo de Lévy no es un efecto puntual, sino un comportamiento sistemático en las colisiones de partículas. Esto abre nuevas líneas de investigación sobre la dinámica del plasma de quarks y gluones, permitiendo comprender mejor la evolución de la materia en condiciones extremas.
Además, el estudio de estos patrones podría mejorar la interpretación de datos experimentales en aceleradores de partículas y ayudar a diseñar nuevos modelos para describir la expansión de la materia tras una colisión.
De la física a la biología
El hecho de que el vuelo de Lévy aparezca en colisiones de partículas plantea una pregunta intrigante: ¿por qué este patrón de movimiento se repite en sistemas tan distintos? Desde la caza de depredadores marinos hasta las fluctuaciones económicas, pasando por la dispersión de células en un medio líquido, la presencia de esta ley matemática sugiere que existen principios universales en los sistemas complejos.
En el caso de las colisiones de partículas, los resultados sugieren que la formación y evolución del plasma de quarks y gluones podría estar influida por mecanismos similares a los observados en otros ámbitos científicos. Comprender este comportamiento no solo ayuda a interpretar los datos de los aceleradores de partículas, sino que también puede aportar nuevas ideas a otras disciplinas, desde la modelización de sistemas biológicos hasta el estudio de patrones de transporte en redes.
Los modelos basados en vuelos de Lévy ya han demostrado ser útiles para describir fenómenos aparentemente caóticos en la naturaleza. Este descubrimiento en la física nuclear refuerza la idea de que las mismas reglas matemáticas pueden regir procesos a escalas completamente diferentes, lo que abre la puerta a nuevas investigaciones interdisciplinarias.
Referencias
- Dániel Kincses, Márton Nagy & Máté Csanád, Lévy walk of pions in heavy-ion collisions, Communications Physics, 5 febrero 2025. DOI: 10.1038/s42005-025-01973-x.
Cortesía de Muy Interesante
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