Se confirma una anomalía de protones.

El protón es definitivamente una partícula misteriosa. Aunque fue descubierto hace más de 100 años, muchas de sus propiedades aún no se conocen bien. Este es el caso de su polarizabilidad eléctrica, es decir, su capacidad de deformarse en presencia de un campo eléctrico. Cuando se midió esta característica hace casi veinte años, se observó una anomalía en los datos. Su origen aún se debate entre los expertos. Ruonan Li y Niko Sparveris de la Universidad de Temple, Filadelfia, EE. UU., y sus colegas repitieron este experimento… pero la anomalía parece persistir. ¿Qué concluir?

El protón es un conjunto compuesto por quarks y gluones cuya cohesión está asegurada por la interacción fuerte, descrita por la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). “Esta teoría predice que la polarizabilidad eléctrica disminuye a medida que aumenta la energía con la que se sondea el protón”, explica Niko Sparveris. Sin embargo, varios experimentos han demostrado que Aunque el protón en su conjunto se vuelve más rígido a medida que aumenta la energía, esta tendencia parece detenerse en una estrecha banda de energía donde el protón se vuelve mucho más deformable.

Cuando esta anomalía se observó por primera vez en experimentos pioneros de polarización de protones, los físicos pensaron que se trataba de una fluctuación estadística, mediciones que se desvían del valor real, debido a una serie de incertidumbres. “Así que realizamos el mismo experimento, pero con mayor control sobre algunas incertidumbres. Esto nos permitió mejorar la precisión en un factor de dos”, dice Niko Sparveris.

Para medir la polarizabilidad, los investigadores utilizaron instalaciones en Jefferson Lab, en los Estados Unidos, donde aceleraron un haz de electrones para bombardear un objetivo con hidrógeno líquido. Durante esta colisión, los electrones interactúan con los protones del objetivo intercambiando un fotón virtual, es decir, una partícula que tiene todas las características del fotón, pero cuyo tiempo de vida es muy limitado. Después de intercambiar el fotón virtual, los protones emiten un fotón muy real que es la fuente del campo eléctrico necesario para medir la polarizabilidad. Las características de los fotones reales emitidos están ligadas a la intensidad de la interacción entre los quarks en la escala de energía sondeada y, por tanto, a la rigidez del protón.

¿Podría la anomalía ser nuevamente el resultado de una fluctuación estadística? “Para eliminar cualquier posibilidad de que se deba a un artefacto experimental, continúa Niko Sparveris, vamos a medir estas propiedades usando haces de positrones. [l’antiparticule de l’électron, de charge positive, ndlr]🇧🇷 El hecho de utilizar una sonda diferente ofrece la posibilidad de realizar un estudio con incertidumbres independientes de las realizadas con electrones.

Pero si la anomalía persiste, los físicos concluirán que falta algo en su descripción del protón. La dificultad para modelar el protón proviene del hecho de que el QCD se comporta de manera muy diferente según la energía (y la distancia, una medida a alta energía corresponde a una distancia muy pequeña entre dos quarks y viceversa). A muy alta energía, la intensidad de la interacción fuerte tiende a cero y los quarks ya no interactúan entre sí; hablamos de libertad asintótica. Por otro lado, si los quarks están muy separados, la fuerza que los une se extrema y los retiene en el protón; estamos hablando de contención. Sin embargo, todavía no sabemos cómo describir exactamente este régimen, lo que podría explicar por qué los modelos no describen la anomalía. “Si continuamos mejorando la precisión de nuestros experimentos, serán una guía eficaz para refinar la teoría”, enfatiza Niko Sparveris.

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