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| El radio de masa del protón es menor que el radio de carga eléctrica (un núcleo denso), mientras que una nube de actividad de gluones escalares se extiende más allá del radio de carga. Este hallazgo podría arrojar luz sobre el confinamiento y la distribución de masas en el protón. (Imagen del Laboratorio Nacional Argonne). |
Poco se sabe de la densidad de masa interna del protón, dominada por la energía transportada por los gluones. Es difícil acceder a los gluones mediante la dispersión de electrones porque no llevan carga electromagnética.
Ahora, es posible que físicos nucleares hayan descubierto dónde reside una gran parte de la masa del protón. Un experimento reciente llevado a cabo en la Instalación Nacional de Aceleración Thomas Jefferson del Departamento de Energía de Estados Unidos ha revelado el radio de la masa del protón que genera la fuerza fuerte al pegar los quarks que forman el protón.
Al identificar la posición de la materia producida por estos gluones, esta nueva medición puede haber arrojado por fin algo de luz sobre la masa que forman los gluones del protón. Se descubrió que el núcleo del protón es donde se encuentra el radio de este núcleo de materia. El resultado también parece sugerir que el radio de carga del protón, bien medido y utilizado con frecuencia como indicador del tamaño del protón, no es un buen indicador del tamaño de este núcleo.
El coautor del experimento, Mark Jones, líder de Halls A&C del Laboratorio Jefferson, dijo: "El radio de esta estructura de masa es más pequeño que el radio de carga, y así nos da una especie de sentido de la jerarquía de la masa frente a la estructura de carga del nucleón".
Zein-Eddine Meziani, científico del Laboratorio Nacional Argonne del DOE, dijo: "Este resultado nos ha sorprendido un poco".
"Lo que hemos encontrado es algo que no esperábamos que saliera así. El objetivo original de este experimento era la búsqueda de un pentaquark del que habían informado investigadores del CERN."
El experimento se llevó a cabo en la Sala Experimental C de la Instalación del Acelerador Continuo de Haz de Electrones del Laboratorio Jefferson, usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. En la investigación, se dirigieron potentes electrones de 10,6 GeV procedentes del acelerador CEBAF hacia un diminuto bloque de cobre. Al ralentizar o desviar los electrones, el bloque produjo radiación bremsstrahlung en forma de fotones. Los protones que se encontraban en el interior de un blanco de hidrógeno líquido fueron alcanzados por este flujo de fotones. Los electrones y positrones sobrantes de estos encuentros fueron detectados por detectores.
Los experimentadores estaban interesados en aquellas interacciones que producían partículas J/ Ψ entre los núcleos de protones del hidrógeno. El J/ Ψ es un mesón de corta vida formado por quarks encanto/anti-encanto. Una vez formado, decae rápidamente en un par electrón/positrón.
De los miles de millones de interacciones, los experimentadores encontraron alrededor de 2.000 partículas J/ Ψ en sus mediciones de la sección transversal de estas interacciones confirmando los pares electrón/positrón coincidentes.
Jones dijo: "Es similar a lo que hemos estado haciendo todo el tiempo. Mediante la dispersión elástica del electrón en el protón, hemos obtenido la distribución de carga del protón. En este caso, hicimos foto-producción exclusiva del J/ Ψ del protón, y estamos obteniendo la distribución del gluón. En este caso, hicimos foto-producción exclusiva del J/ Ψ del protón, y estamos obteniendo la distribución de gluones en lugar de la distribución de carga".
Estas observaciones de la sección transversal podrían ser incorporadas posteriormente por los colaboradores a modelos teóricos que perfilen los factores de forma gravitatorios gluónicos del protón. Las propiedades mecánicas del protón, como su masa y presión, se describen en los factores de forma gluónicos.
Meziani dijo: "Había dos cantidades, conocidas como factores de forma gravitatorios, que podíamos extraer porque teníamos acceso a estos dos modelos: el modelo generalizado de distribución de partones y el modelo holográfico de cromodinámica cuántica (QCD). Y comparamos los resultados de cada modelo con los cálculos de QCD de celosía".
Los experimentadores establecieron el mencionado radio de masa gluónica dominado por gluones similares a gravitones, así como un radio mayor de gluones escalares atrayentes que se extienden más allá de los quarks móviles y los restringen a dos posibles combinaciones de estas cantidades.
Los datos apuntan a una distribución de gluones escalares que se extiende considerablemente más allá del radio electromagnético del protón, que es uno de los resultados más intrigantes de nuestro experimento.
Joosten afirmó: "Para comprender plenamente estas nuevas observaciones y sus implicaciones en nuestra comprensión del confinamiento, necesitaremos una nueva generación de experimentos J/ Ψ de alta precisión."
Según Jones, "una posibilidad para explorar más a fondo este nuevo y tentador resultado es el programa experimental Solenoidal Large Intensity Device (Dispositivo Solenoidal de Gran Intensidad), denominado SoLID. El programa SoLID se encuentra aún en fase de propuesta. Si se aprueba su avance, los experimentos realizados con el aparato SoLID proporcionarían nuevos conocimientos sobre la producción de J/ Ψ con el detector SoLID. Podrá realizar mediciones de alta precisión en esta región. Uno de los principales pilares de ese programa es la producción de J/ Ψ, junto con las mediciones de la distribución del momento transverso y la medición de la dispersión inelástica profunda con violación de la paridad."
Fuentes, créditos y referencias:
Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE.UU. - Duran, B., Meziani, ZE., Joosten, S. et al. Determining the gluonic gravitational form factors of the proton. Nature 615, 813–816 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4