Hace veinte años, los físicos comenzaron a investigar la misteriosa asimetría de la estructura interna del protón. Los resultados de su trabajo, publicados a finales de febrero de 2021, explican cómo la antimateria ayuda a estabilizar el núcleo de cada átomo.
Muy raramente se menciona que los protones, las partículas cargadas positivamente en el centro de un átomo, son en parte antimateria.
En la escuela, nos dijeron que un protón es un grupo de tres partículas elementales llamadas quarks: dos quarks u (arriba) y un quark d (abajo), cuyas cargas eléctricas +2/3 y -1/3, respectivamente, suma el protón tiene una carga de +1. Pero detrás de esta imagen elemental se esconde una historia mucho más extraña y aún sin resolver.
Desde la distancia, parece que el protón está formado por tres partículas llamadas quarks. Pero si miras más de cerca, puedes ver muchas partículas que aparecen y desaparecen; de
hecho, un vórtice de un número cambiante de seis tipos de quarks, sus contrapartes con carga opuesta de antimateria (antiquarks) y gluones, partículas elementales sin masa que unen otras partículas, se transforman dentro del protón, en ellas y se multiplican rápidamente. De alguna manera, este vórtice burbujeante resulta ser completamente estable y aparentemente simple, imitando en ciertos aspectos a un trío de quarks. "La forma en que todo funciona, francamente, parece un milagro", dijo Donald Gisaman , físico nuclear del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois.
Hace treinta años, los investigadores descubrieron una propiedad sorprendente de este "mar de protones". Los teóricos esperaban que los diferentes tipos de antimateria se distribuyeran uniformemente en él, pero parecía que el número de anitquarks inferiores excedía significativamente el número de antiquarks superiores. Luego, diez años después, otro grupo de investigadores notó indicios de variaciones inexplicables en la proporción de los antiquarks superior e inferior. Pero estos resultados estuvieron al borde de la sensibilidad del experimento.
Entonces, hace 20 años, Donald Gisaman y su colega Paul Rymer comenzaron a trabajar en un nuevo experimento para comprender mejor este problema. El experimento, denominado SeaQuest, finalmente terminó y los investigadores lo publicaron. resultados en la revista Nature. Midieron la antimateria intrínseca del protón más a fondo que nunca y encontraron que para cada antiquark superior, en promedio, hay 1,4 antiquarks inferiores.
Samuel Velasco / Quanta Magazine
Estos datos apoyan directamente dos modelos teóricos del mar de protones. “Esta es la primera evidencia real que respalda estos modelos”, dijo Reimer.
Uno, el modelo de nube de piones, es un enfoque popular que ha existido durante décadas y que enfatiza la tendencia del protón a emitir y reabsorber partículas llamadas piones, que pertenecen a un grupo de partículas conocidas como mesones. El segundo, el llamado modelo estadístico , considera el protón como un recipiente lleno de gas.
Los experimentos planificados adicionales ayudarán a los investigadores a elegir uno de estos dos modelos. Pero cualquiera que sea la verdad, el conjunto de datos de antimateria intrínseca de protones de SeaQuest será de beneficio inmediato, especialmente para los físicos que colisionan protones a velocidades cercanas a la de la luz en el Gran Colisionador de Hadrones. Con información precisa sobre la composición de los objetos en colisión, podrán desmontar de manera más eficiente los productos que quedaron tras la colisión en busca de evidencias de la existencia de nuevas partículas o efectos. Juan Rojo de la Universidad Libre de Amsterdam, que ayuda en el análisis de los datos del LHC, cree que los resultados del experimento SeaQuest podrían tener un gran impacto en la búsqueda de nueva física, que actualmente está "limitada por nuestro conocimiento de la estructura de la protón, en particular sobre su antimateria ".
El tercero no es superfluo
Durante un corto período de tiempo, hace aproximadamente medio siglo, los físicos creyeron que se habían ocupado del protón.
En 1964, Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron de forma independiente un modelo que luego se convirtió en quark : la idea era que los protones, neutrones y sus partículas asociadas más raras son haces de tres quarks (como se les llamabaGell-Mann), y los piones y otros mesones se componen de un quark y un antiquark. Este esquema explica la cacofonía de partículas que vuelan desde aceleradores de partículas de alta energía, ya que el espectro de sus cargas podría construirse a partir de combinaciones de dos y tres partes. Luego, alrededor de 1970, los investigadores del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) parecieron confirmar el modelo de quarks: al disparar electrones de alta velocidad a los protones, vieron que los electrones rebotaban en los objetos del interior.
Pero el panorama pronto se volvió menos claro. “A medida que nos esforzamos por medir las propiedades de estos tres quarks, descubrimos que algo más estaba sucediendo”, dijo Chuck Brown, un miembro del equipo SeaQuest de 80 años en el Laboratorio Nacional Acelerador. Enrico Fermi (Fermilab), que ha estado trabajando en experimentos con quarks desde la década de 1970.
El estudio del impulso de tres quarks mostró que sus masas constituyen una pequeña parte de la masa total del protón. Además, cuando los investigadores de SLAC disparaban electrones a velocidades más altas a los protones, vieron que los electrones estaban repeliendo más partículas en el interior. Cuanto más rápidos son los electrones, más corta es su longitud de onda, lo que los hace sensibles a los elementos más finos del protón; es como aumentar la resolución de un microscopio. Se descubrieron cada vez más partículas internas, que parecían no tener fin. “No sabemos dónde está el límite y cuál es la resolución más alta que se puede obtener”, dijo Gisaman.
Los resultados empezaron a tener más sentido cuando los físicos desarrollaron una teoría verdadera a la que el modelo de quarks solo se está acercando: la cromodinámica cuántica o QCD. QCD, formulado en 1973, describe la "fuerza fuerte", la fuerza más grande en la naturaleza por la cual las partículas llamadas gluones unen haces de quarks.
QCD predice el mismo vórtice que se reveló en los experimentos de dispersión. Las dificultades surgen debido al hecho de que los gluones sienten la misma fuerza que llevan. Así es como se diferencian de los fotones, que llevan una fuerza electromagnética más simple. Esta "arbitrariedad" crea desorden dentro del protón, dando a los gluones total libertad de acción para la emergencia, multiplicación y división en pares de quarks y antiquarks a corto plazo. Al equilibrarse entre sí, estos quarks y antiquarks con cargas opuestas, muy cerca, pasan desapercibidos desde lejos. Sólo tres quarks de "valencia" desequilibrados, dos arriba y abajo, constituyen la carga total del protón. Pero los físicos se dieron cuenta de que al disparar electrones a velocidades más altas, alcanzaban objetivos más pequeños.
Sin embargo, las rarezas no terminaron ahí.
Debido a la arbitrariedad de los gluones, las ecuaciones de QCD no se pueden resolver; por lo tanto, los físicos han fallado y aún no pueden calcular predicciones precisas de la teoría. Pero no tenían ninguna razón para suponer que los gluones se dividirían en un tipo de par quark-antiquark (es decir, el inferior) con más frecuencia que en otro. "Esperábamos que apareciera un número igual de ambos pares", dijo Mary Ahlberg , teórica nuclear de la Universidad de Seattle, al explicar su razón de ser en ese momento.
Mary Ahlberg, física nuclear de la Universidad de Seattle, y sus coautores han sostenido durante mucho tiempo que el pión juega un papel importante en la formación de la esencia del protón.
Foto cortesía de la Universidad de Seattle
Esta es la razón por la que los investigadores de New Muon Collaboration en Ginebra se sorprendieron tanto con los resultados del experimento de dispersión de muones. En 1991. Chocaron muones (los parientes más pesados de los electrones) con protones y deuterones, que constan de un protón y un neutrón, compararon los resultados y concluyeron que hay más antiquarks inferiores en el mar de protones que antiquarks superiores.
Partes de un protón
Pronto, los teóricos propusieron varias explicaciones posibles para la asimetría del protón.
Uno de ellos está asociado con una peonía. Desde la década de 1940, los físicos han observado cómo los protones y los neutrones intercambian piones dentro de los núcleos atómicos, como los jugadores de un equipo que se lanzan pelotas de baloncesto entre sí para mantenerlos juntos. Reflexionando sobre la estructura del protón, los investigadores llegaron a la conclusión de que también puede lanzarse una pelota de baloncesto a sí mismo, es decir, puede emitir brevemente un pión cargado positivamente, convirtiéndose en un neutrón durante este tiempo y luego reabsorberlo. "Si durante un experimento piensas que estás mirando un protón, no es así, porque durante algún tiempo este protón entrará en el estado de un par neutrón-pión", dijo Ahlberg.
Más precisamente, un protón se convierte en un neutrón y un pión, que consta de un quark up y un antiquark down. Debido a que esta peonía fantasmal tiene un antiquark inferior (una peonía con un antiquark superior no puede materializarse tan fácilmente), teóricos como Ahlberg, Gerald Miller y Tony Thomas han argumentado que el modelo de nube de piones explica la mayor cantidad de antiquarks de protones inferiores detectados por las mediciones. .
Samuel Velasco / Revista Quanta
También han surgido otros argumentos. Claude Burrely y sus colegas de Francia desarrollaron un modelo estadístico que considera las partículas internas de un protón como moléculas de gas en una habitación, moviéndose caóticamente a diferentes velocidades, que dependen de si la partícula tiene un momento angular entero o medio entero. Cuando se sintonizó con datos de numerosos experimentos de dispersión, el modelo asumió un predominio de antiquarks.
Las predicciones de los dos modelos antes mencionados no fueron idénticas. La mayor parte de la masa total de un protón está formada por las energías de partículas individuales que entran y salen del mar de protones, y estas partículas transportan energías diferentes. Los modelos han predicho de manera diferente cómo debería cambiar la proporción de antiquarks altos a bajos a medida que cuentan los antiquarks que transportan más energía. Los físicos miden una cantidad relacionada llamada fracción de momento antiquark.
Cuando los investigadores de Fermilab en 1999 bajo el experimento NuSea midieronla proporción de antiquarks superior e inferior en función del impulso antiquark, el resultado de su trabajo simplemente inspiró a todos, recuerda Ahlberg. Estos datos indican que entre los antiquarks con un gran impulso (tan grande que estaban en el borde del rango de detección del instrumento), repentinamente hubo más antiquarks superiores que inferiores. "Todos los teóricos dijeron: 'Espera un minuto', dijo Ahlberg." ¿Por qué se desarrolló la curva cuando estos antiquarks adquirieron mucho impulso? "
Mientras los teóricos se devanaban los sesos sobre esta cuestión, Gisaman y Reimer, que estaban trabajando en el experimento NuSea y sabían que a veces no se debe confiar en los datos al borde del abismo, decidieron construir un experimento en el que sería posible investigar una gama más amplia de datos. pulsos antiquark en condiciones cómodas. Lo llamaron SeaQuest.
De lo que fue
Con un montón de preguntas sobre el protón, pero sin dinero, empezaron a montar un experimento a partir de las piezas usadas. “Nuestro lema era: reducir el desperdicio, reutilizar, reciclar”, dijo Reimer.
Compraron varios centelleadores antiguos del laboratorio de Hamburgo, los detectores de partículas restantes en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y las placas de hierro que bloquean la radiación que se usaron originalmente en el ciclotrón de la Universidad de Columbia en la década de 1950. Pudieron usar el imán del tamaño de una habitación utilizado en el experimento NuSea y llevar a cabo su nuevo experimento en el acelerador de protones en Fermilab. El "Frankenstein" resultante de estos detalles, sin embargo, no estuvo desprovisto de su encanto. Según Brown, quien ayudó a encontrar todas las piezas, el indicador audible que indica que los protones están entrando en el dispositivo se fabricó hace 50 años: "Cuando emite un pitido, el alma se calienta".
El físico nuclear Paul Rymer (arriba) con el dispositivo experimental SeaQuest
Un experimento en Fermilab, construido principalmente a partir de piezas usadas
. Finalmente, lo lanzaron. En el experimento, los protones golpean dos objetivos: una burbuja de hidrógeno, que es esencialmente un protón, y una burbuja de deuterio, cuyo núcleo consta de un protón y un neutrón.
Al impactar en cualquiera de los dos objetivos, uno de los quarks de valencia del protón a veces se aniquila con uno de los antiquarks del protón o neutrón del objetivo. "La aniquilación tiene una firma única y produce muones y anti-muones", dijo Rymer. Estas partículas, junto con otros "escombros" de la colisión, chocan contra las viejas placas de hierro. “Los muones pueden atravesarlos y todas las demás partículas quedan bloqueadas”, dijo. Al detectar muones en la parte posterior de las placas y restaurar sus trayectorias y velocidades originales, "puede reconstruir la cronología de los eventos para averiguar qué fracción del impulso es transportada por los antiquarks".
Dado que los protones y los neutrones se reflejan entre sí, donde uno tiene partículas del tipo superior, el otro tiene partículas del tipo inferior y viceversa. Al comparar los datos de las dos burbujas, se puede ver inmediatamente la relación entre los antiquarks superiores y los antiquarks inferiores en el protón, pero esto, por supuesto, fue precedido por 20 años de trabajo.
En 2019, Ahlberg y Miller calcularon los resultados del experimento SeaQuest basándose en el modelo de nube de piones . Sus predicciones están en línea con los nuevos datos de SeaQuest.
Los nuevos datos que muestran un aumento gradual y luego una meseta en la relación entre los antiquarks inferiores y superiores, en lugar de una reversión repentina, también coinciden con los resultados de un modelo estadístico más flexible.desarrollado por Burrely y sus colegas. Sin embargo, Miller llama a este modelo competitivo "descriptivo, no predictivo", porque está ajustado para ajustarse a los datos en lugar de provocar un mecanismo físico que explique el predominio de los antiquarks. "Y en nuestros cálculos, estoy orgulloso del hecho de que representan un pronóstico real", dijo Ahlberg. "No modificamos ningún parámetro de antemano".
En un correo electrónico, Burrely argumentó que "el modelo estadístico es más poderoso que el modelo de Alberg y Miller" porque tiene en cuenta los experimentos de dispersión con partículas polarizadas y no polarizadas. Miller estuvo totalmente en desacuerdo y señaló que el modelo de nube de piones explica no solo la composición de antimateria del protón, sino también los momentos magnéticos de varias partículas, la distribución de cargas y los tiempos de desintegración, así como "la unión y, por lo tanto, la existencia de todos los núcleos". . " Agregó que el mecanismo pión “es importante en un sentido amplio para preguntas como“ ¿Por qué hay núcleos? ¿Por qué existimos? "
En la búsqueda final por comprender el protón, el espín o el momento angular intrínseco pueden ser el factor decisivo. Un experimento de dispersión de muones a fines de la década de 1980 mostróque los giros de los tres quarks de valencia del protón no superan el 30% del giro total del protón. La "crisis del espín del protón" se puede expresar con la siguiente pregunta: "¿Qué constituye el 70% restante?" Y como dijo de nuevo el veterano explorador Chuck Brown, un veterano del Fermilab: "Debe haber algo más".
Los experimentadores investigarán el giro del mar de protones en Fermilab y luego en el colisionador de electrones-iones proyectado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Ahlberg y Miller ya están trabajando en los cálculos de una "nube de mesones" completa que rodea a los protones, que, además de los piones, incluye los más raros "mesones rho". A diferencia de los piones, los mesones ro tienen giro, por lo que de alguna manera deben influir en el giro total del protón, que Ahlberg y Miller esperan determinar.
El experimento SpinQuest de Fermilab , que involucra a muchos investigadores de SeaQuest y utiliza los detalles de ese experimento, está casi listo para funcionar, dijo Brown . “Con suerte, obtendremos los datos esta primavera; esto dependerá, al menos en parte, del progreso en el desarrollo de una vacuna contra el virus. Es curioso que la solución a un tema tan profundo e incomprensible de la estructura interna del núcleo dependa de la situación del virus COVID en el país. Todo en el mundo está interconectado, ¿no es así? "