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Los científicos han desarrollado una teoría innovadora para calcular lo que ocurre dentro de un protón que viaja a la velocidad de la luz.
Durante más de 2.000 años, los científicos pensaron que el átomo era la partícula más pequeña posible. Entonces, descubrieron que tiene un núcleo formado por protones y neutrones rodeados de electrones. Después, descubrieron que los protones y los neutrones tienen un complejo mundo interior lleno de quarks y antiquarks que se mantienen unidos por una fuerza similar a la del pegamento creada por los gluones.
"Los protones y los neutrones constituyen más del 99% del universo visible, es decir, de las galaxias y las estrellas a nosotros", explica Yong Zhao, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). "Sin embargo, todavía hay mucho que no sabemos sobre la rica vida interior de los protones o neutrones".
Zhao es coautor de un artículo sobre un método innovador para calcular la estructura de quarks y gluones de un protón que viaja a la velocidad de la luz. El nombre de la creación del equipo es teoría efectiva de gran momento, LaMET para abreviar, que trabaja conjuntamente con una teoría llamada cromodinámica cuántica de celosía (QCD).
El protón es diminuto, unas 100.000 veces más pequeño que un átomo, por lo que los físicos suelen modelarlo como un punto sin dimensiones. Pero estas nuevas teorías pueden predecir lo que ocurre dentro del protón a la velocidad de la luz como si fuera un cuerpo de tres dimensiones.
El concepto de momento es vital no solo para LaMET, sino para la física en general. Es igual a la velocidad de un objeto por su masa.
Hace más de medio siglo, explicó Zhao, un sencillo modelo de quarks de los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig desveló parte de la estructura interna del protón en reposo (sin impulso). A partir de ese modelo, los científicos imaginaron que el protón estaba formado por tres quarks y predijeron sus propiedades esenciales, como la carga eléctrica y el espín.
Experimentos posteriores con protones acelerados a una velocidad cercana a la de la luz demostraron que el protón es aún más complejo de lo que se pensaba. Por ejemplo, contiene innumerables partículas que interactúan entre sí, no solo tres quarks unidos por gluones. Y los gluones pueden convertirse brevemente en pares quark-antiquark antes de destruirse mutuamente y volver a ser un gluón. Los aceleradores de partículas como el del Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi del DOE produjeron la mayoría de estos resultados.
"Cuando se acelera el protón y se hace colisionar con un objetivo, es cuando ocurre la magia en cuanto a la revelación de sus muchos misterios", dijo Zhao.
Unos cinco años después de que el modelo de los quarks simples sacudiera a la comunidad física, un modelo propuesto por Richard Feynman imaginó al protón viajando a una velocidad cercana a la de la luz como un haz que transportaba un número infinito de quarks y gluones moviéndose en la misma dirección. Llamó a estas partículas "partons". Su modelo de protones inspiró a los físicos a definir un conjunto de cantidades que describen la estructura tridimensional del protón. Los investigadores podrían entonces medir estas cantidades en experimentos en aceleradores de partículas.
Los cálculos anteriores con la mejor teoría disponible en ese momento (QCD de celosía) produjeron algunos detalles esclarecedores sobre la distribución de quarks y gluones en el protón. Pero tenían una grave deficiencia: No podían distinguir con precisión entre los partons de movimiento rápido y lento.
La dificultad radicaba en que la QCD de celosía sólo podía calcular las propiedades del protón que no dependen de su momento. Pero aplicar el modelo de protones de Feynman a la QCD de celosía requiere conocer las propiedades de un protón con momento infinito, lo que significa que las partículas del protón deben viajar todas a la velocidad de la luz. LaMET llena parcialmente ese vacío de conocimiento y proporciona una receta para calcular la física de los protones a partir de la QCD de celosía para un momento grande pero finito.
"Hemos estado desarrollando y perfeccionando LaMET durante los últimos ocho años", afirma Zhao. "Nuestro artículo resume este trabajo".
Los cálculos de QCD en celosía con LaMET, que se ejecutan en superordenadores, están generando predicciones nuevas y mejoradas sobre la estructura del protón a velocidad de la luz. Estas predicciones pueden ponerse a prueba en una nueva instalación única en su género llamada Colisionador de Iones y Electrones (EIC). Esta instalación se está construyendo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE.
"Nuestro LaMET también puede predecir información útil sobre cantidades que son extraordinariamente difíciles de medir", dijo Zhao. "Y con superordenadores suficientemente potentes, en algunos casos, nuestras predicciones podrían ser incluso más precisas de lo que es posible medir en el EIC".
Con un conocimiento más profundo de la estructura de quarks y gluones de la materia mediante la teoría y las mediciones del EIC, los científicos están preparados para alcanzar una imagen mucho más detallada del protón. Entraremos entonces en una nueva era de la física de los protones.
Fuentes, créditos y referencias:
Xiangdong Ji et al, Large-momentum effective theory, Reviews of Modern Physics (2021). DOI: 10.1103/RevModPhys.93.035005
Imagen: Representación artística de la estructura del protón que revela su intrincado y dinámico sistema de quarks y gluones. Crédito: Argonne National Laboratory