Dentro del protón, la "cosa más complicada que puedas imaginar"

Más de un siglo después de que Ernest Rutherford descubriera la partícula cargada positivamente en el corazón de cada átomo, los físicos todavía luchan por comprender completamente el protón.

Los profesores de física de la escuela secundaria los describen como bolas sin rasgos distintivos con una unidad cada una de carga eléctrica positiva: las láminas perfectas para los electrones cargados negativamente que zumban a su alrededor. Los estudiantes universitarios aprenden que la pelota es en realidad un conjunto de tres partículas elementales llamadas quarks. Pero décadas de investigación han revelado una verdad más profunda, una que es demasiado extraña para capturarla completamente con palabras o imágenes.

“Esto es lo más complicado que puedas imaginar”, dijo Mike Williams, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. “De hecho, ni siquiera puedes imaginar lo complicado que es”.

El protón es un objeto mecánico cuántico que existe como una neblina de probabilidades hasta que un experimento lo obliga a tomar una forma concreta. Y sus formas difieren drásticamente dependiendo de cómo los investigadores configuren su experimento. Conectar las muchas caras de la partícula ha sido el trabajo de generaciones. “Estamos empezando a entender este sistema de una manera completa”, dijo ricardo milner, físico nuclear del MIT.

A medida que continúa la persecución, los secretos del protón siguen saliendo a la luz. Más recientemente, un análisis de datos monumentales publicado en agosto encontró que el protón contiene trazas de partículas llamadas quarks encanto que son más pesadas que el propio protón.

El protón “ha sido una lección de humildad para los humanos”, dijo Williams. “Cada vez que crees que lo tienes bajo control, te lanza algunas bolas curvas”.

Recientemente, Milner, junto con Rolf Ent en Jefferson Lab, los cineastas del MIT Chris Boebel y Joe McMaster, y el animador James LaPlante, se dispusieron a transformar un conjunto de tramas arcanas que recopilan los resultados de cientos de experimentos en una serie de animaciones de la forma -cambio de protón. Hemos incorporado sus animaciones en nuestro propio intento de desvelar sus secretos.

Abriendo el protón

La prueba de que el protón contiene multitudes provino del Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) en 1967. En experimentos anteriores, los investigadores lo arrojaron con electrones y los vieron rebotar como bolas de billar. Pero SLAC podía lanzar electrones con más fuerza y ​​los investigadores vieron que se recuperaban de manera diferente. Los electrones golpeaban al protón lo suficientemente fuerte como para romperlo, un proceso llamado dispersión inelástica profunda, y rebotaban en fragmentos puntuales del protón llamados quarks. “Esa fue la primera evidencia de que los quarks realmente existen”, dijo Xiao Chao Zheng, físico de la Universidad de Virginia.

Después del descubrimiento de SLAC, que ganó el Premio Nobel de Física en 1990, se intensificó el escrutinio del protón. Los físicos han llevado a cabo cientos de experimentos de dispersión hasta la fecha. Infieren varios aspectos del interior del objeto ajustando la fuerza con la que lo bombardean y eligiendo qué partículas dispersas recogen después.

Mediante el uso de electrones de mayor energía, los físicos pueden descubrir características más finas del protón objetivo. De esta forma, la energía del electrón establece el máximo poder de resolución de un experimento de dispersión inelástica profunda. Los colisionadores de partículas más potentes ofrecen una visión más nítida del protón.

Los colisionadores de mayor energía también producen una gama más amplia de resultados de colisión, lo que permite a los investigadores elegir diferentes subconjuntos de electrones salientes para analizar. Esta flexibilidad ha demostrado ser clave para comprender los quarks, que se mueven dentro del protón con diferentes cantidades de impulso.

Al medir la energía y la trayectoria de cada electrón disperso, los investigadores pueden saber si ha rebotado en un quark que lleva una gran parte del impulso total del protón o solo una pizca. A través de colisiones repetidas, pueden tomar algo así como un censo, determinando si el impulso del protón está principalmente ligado a unos pocos quarks o distribuido entre muchos.

Incluso las colisiones de división de protones de SLAC fueron suaves según los estándares actuales. En esos eventos de dispersión, los electrones a menudo salían disparados en formas que sugerían que habían chocado contra quarks que llevaban un tercio del impulso total del protón. El hallazgo coincidió con una teoría de Murray Gell-Mann y George Zweig, quienes en 1964 postularon que un protón consta de tres quarks.

El “modelo de quarks” de Gell-Mann y Zweig sigue siendo una forma elegante de imaginar el protón. Tiene dos quarks "arriba" con cargas eléctricas de +2/3 cada uno y un quark "abajo" con una carga de −1/3, para una carga total de protones de +1.

Pero el modelo de quarks es una simplificación excesiva que tiene serias deficiencias.

Falla, por ejemplo, cuando se trata del giro de un protón, una propiedad cuántica análoga al momento angular. El protón tiene media unidad de espín, al igual que cada uno de sus quarks arriba y abajo. Los físicos inicialmente supusieron que, en un cálculo que se hace eco de la aritmética de carga simple, las medias unidades de los dos quarks arriba menos la del quark abajo deben ser iguales a la mitad de una unidad para el protón como un todo. Pero en 1988, la Colaboración Europea de Muones reportaron que los giros de los quarks suman mucho menos de la mitad. De manera similar, las masas de dos quarks up y un quark down solo comprenden alrededor del 1% de la masa total del protón. Estos déficits llevaron a casa un punto que los físicos ya estaban comenzando a apreciar: el protón es mucho más que tres quarks.

Mucho más que tres quarks

El acelerador de anillo de hadrones y electrones (HERA), que operó en Hamburgo, Alemania, de 1992 a 2007, estrelló electrones contra protones aproximadamente mil veces más fuerte que SLAC. En los experimentos HERA, los físicos pudieron seleccionar electrones que habían rebotado en quarks con un impulso extremadamente bajo, incluidos los que llevaban tan solo el 0.005 % del impulso total del protón. Y los detectaron: los electrones de HERA rebotaron en un torbellino de quarks de bajo impulso y sus contrapartes de antimateria, los antiquarks.

Los resultados confirmaron una teoría sofisticada y extravagante que para entonces había reemplazado al modelo de quarks de Gell-Mann y Zweig. Desarrollada en la década de 1970, era una teoría cuántica de la "fuerza fuerte" que actúa entre los quarks. La teoría describe a los quarks como si estuvieran unidos por partículas portadoras de fuerza llamadas gluones. Cada quark y cada gluón tiene uno de los tres tipos de carga de "color", etiquetados como rojo, verde y azul; estas partículas cargadas de color se atraen naturalmente entre sí y forman un grupo, como un protón, cuyos colores se suman a un blanco neutro. La colorida teoría se conoció como cromodinámica cuántica o QCD.

Según QCD, los gluones pueden captar picos momentáneos de energía. Con esta energía, un gluón se divide en un quark y un antiquark, cada uno con un poco de impulso, antes de que el par se aniquile y desaparezca. Los picos de energía más pequeños producen pares de quarks con menor impulso, que viven vidas más cortas. Es este "mar" de gluones, quarks y antiquarks lo que HERA, con su mayor sensibilidad a las partículas de menor impulso, detectó de primera mano.

HERA también recogió indicios de cómo se vería el protón en colisionadores más poderosos. A medida que los físicos ajustaron HERA para buscar quarks de menor impulso, estos quarks, que provienen de gluones, aparecieron en cantidades cada vez mayores. Los resultados sugirieron que incluso en colisiones de mayor energía, el protón aparecería como una nube formada casi en su totalidad por gluones.

El gluón diente de león es exactamente lo que predice QCD. “Los datos de HERA son una prueba experimental directa de que QCD describe la naturaleza”, dijo Milner.

Pero la victoria de la joven teoría vino con un trago amargo: mientras que QCD describió bellamente la danza de quarks y gluones de corta duración revelada por las colisiones extremas de HERA, la teoría es inútil para comprender los tres quarks de larga duración vistos en el suave bombardeo de SLAC.

Las predicciones de QCD son fáciles de entender solo cuando la fuerza fuerte es relativamente débil. Y la fuerza fuerte se debilita solo cuando los quarks están extremadamente juntos, como lo están en pares de quark-antiquark de corta duración. Frank Wilczek, David Gross y David Politzer identificaron esta característica definitoria de QCD en 1973 y ganaron el Premio Nobel por ello 31 años después.

Pero para colisiones más suaves como la de SLAC, donde el protón actúa como tres quarks que mantienen su distancia entre sí, estos quarks se atraen entre sí con tanta fuerza que los cálculos de QCD se vuelven imposibles. Por lo tanto, la tarea de desmitificar aún más la visión de tres quarks del protón ha recaído en gran medida en los experimentadores. (Los investigadores que realizan “experimentos digitales”, en los que se simulan predicciones QCD en supercomputadoras, también han realizado contribuciones clave.) Y es en esta imagen de baja resolución donde los físicos siguen encontrando sorpresas.

Una nueva y encantadora vista

Recientemente, un equipo dirigido por juan rojo del Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos y la Universidad VU de Ámsterdam analizaron más de 5,000 instantáneas de protones tomadas en los últimos 50 años, utilizando el aprendizaje automático para inferir los movimientos de los quarks y gluones dentro del protón de una manera que evita las conjeturas teóricas.

 El nuevo escrutinio detectó un fondo borroso en las imágenes que se les había escapado a los investigadores anteriores. En colisiones relativamente suaves que apenas rompieron el protón, la mayor parte del impulso se encerró en los tres quarks habituales: dos arriba y uno abajo. Pero una pequeña cantidad de impulso parecía provenir de un quark "encantador" y un antiquark encantador, partículas elementales colosales que superan cada una al protón completo en más de un tercio.

Los encantos de corta duración aparecen con frecuencia en la vista del protón del "mar de quarks" (los gluones pueden dividirse en cualquiera de los seis tipos diferentes de quarks si tienen suficiente energía). Pero los resultados de Rojo y sus colegas sugieren que los encantamientos tienen una presencia más permanente, haciéndolos detectables en colisiones más suaves. En estas colisiones, el protón aparece como una mezcla cuántica, o superposición, de múltiples estados: un electrón generalmente se encuentra con los tres quarks livianos. Pero ocasionalmente encontrará una "molécula" más rara de cinco quarks, como un quark up, down y charm agrupados en un lado y un quark up y un antiquark charm en el otro.

Detalles tan sutiles sobre la composición del protón podrían resultar importantes. En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos buscan nuevas partículas elementales golpeando protones de alta velocidad y viendo qué sale; Para comprender los resultados, los investigadores necesitan saber qué hay en un protón para empezar. La aparición ocasional de quarks encanto gigantes deshacerse de las probabilidades de hacer partículas más exóticas.

Y cuando los protones llamados rayos cósmicos se precipitan aquí desde el espacio exterior y chocan contra los protones en la atmósfera de la Tierra, los quarks encantadores que aparecen en los momentos correctos bañarían a la Tierra con neutrinos extraenergéticos, calcularon los investigadores en 2021. Esto podría confundir a los observadores búsqueda para neutrinos de alta energía provenientes de todo el cosmos.

La colaboración de Rojo planea continuar explorando el protón buscando un desequilibrio entre los quarks encanto y los antiquarks. Y los componentes más pesados, como el top quark, podrían tener apariencias aún más raras y difíciles de detectar.

Los experimentos de próxima generación buscarán características aún más desconocidas. Los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven esperan poner en marcha el Colisionador de iones de electrones en la década de 2030 y continuar donde lo dejó HERA, tomando instantáneas de mayor resolución que permitirán las primeras reconstrucciones 3D del protón. El EIC también utilizará electrones giratorios para crear mapas detallados de los giros de los quarks y gluones internos, tal como SLAC y HERA trazaron sus impulsos. Esto debería ayudar a los investigadores a determinar finalmente el origen del espín del protón y abordar otras cuestiones fundamentales sobre la desconcertante partícula que constituye la mayor parte de nuestro mundo cotidiano.