Se revelan antiquarks de protones

El protón es uno de los bloques de construcción esenciales de la materia. Junto con el neutrón, forma el núcleo de los átomos. Como tal, esta partícula cargada positivamente ha sido estudiada desde todos los ángulos y se utiliza en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), el acelerador de partículas grandes del CERN, cerca de Ginebra, para llevar a cabo colisiones protón-protón a muy alta energía y sonido. física. Los protones también se utilizan en el campo médico para tratar tumores.

Sin embargo, el protón sigue siendo objeto de algunos acertijos. Uno de los más destacados es el radio de esta partícula, ya que varios experimentos para medirla han dado resultados inconsistentes. Otro acertijo está en el corazón de un descubrimiento reciente. Es la estructura más íntima del protón y el «mar» de quarks y antiquarks que prevalece dentro de esta partícula: Jason Dove, de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, en Estados Unidos, y colaboración SeaQuest evaluó las contribuciones relativas de diferentes antiquarks a este mar.

El protón sigue siendo objeto de algunos acertijos.

La historia de los quarks y antiquarks comienza a principios de la década de 1960. En ese momento, los físicos estaban confundidos. En las colisiones de aceleradores, detectaron cientos de partículas nuevas, diferentes y de corta duración. ¿Estaba la naturaleza basada en un vasto “zoológico de partículas” sin vínculos entre ellas o un orden aún desconocido estructuró esta colección de acuerdo con algunos principios simples? La respuesta llegó en 1964 por iniciativa de Murray Gell-Mann y George Zweig, en Estados Unidos. Estos físicos asumieron que las partículas, como el protón y el neutrón y las detectadas en experimentos, no eran partículas elementales, sino que estaban compuestas de elementos verdaderamente fundamentales, los quarks (un nombre que tomó prestado Gell-Mann Finnegans Wake, obra del escritor irlandés James Joyce).

Hoy conocemos seis tipos o «sabores» de quarks, denominados usted, D, C, s, t y B (de acuerdo con para arriba, bajo, encanto, extraño, principal, belleza, nombres algo arbitrarios que se les dan). El protón, por ejemplo, está formado por dos quarks usted y un quark D, mientras que el neutrón consta de dos quarks D y un quark usted. Los quarks son sensibles a la «interacción fuerte», una fuerza fundamental que los une dentro del protón (y el neutrón) y que también garantiza la cohesión de protones y neutrones dentro del núcleo atómico. La interacción fuerte está asociada con la llamada carga de «color» (equivalente a la carga eléctrica del electromagnetismo) y es transmitida por gluones (el equivalente de fotones en la interacción electromagnética) que los transportan, incluso una carga de color (a diferencia de los fotones , que son eléctricamente neutrales).

Un trío de quarks

En 1968, en el acelerador Slac, en California, experimentos en los que los protones fueron bombardeados por electrones de alta energía mostraron que el protón es una partícula compuesta, lo que confirmó la hipótesis de los quarks. Pero rápidamente, durante la década de 1970, esta elegante imagen de la estructura del protón se convirtió en una fuente de dificultades. De hecho, la masa de los tres quarks constituyentes representa solo un pequeño porcentaje de la masa del protón. E incluso sumando la masa equivalente a la energía cinética de estos quarks (según la famosa relación Y = mc^dos), la cuenta no estaba allí. Además, los experimentos mostraron que parte de los electrones incidentes fueron desviados por otros componentes del protón …

De hecho, la teoría de la interacción fuerte, «cromodinámica cuántica», indica que, además de sus tres quarks llamados «valencia», el protón también alberga un «mar» formado por una infinidad de pares quark-antiquark. Efímero, di «virtual». De hecho, los gluones que unen los quarks entre sí a veces emiten nuevos gluones o se desintegran en un par quark-antiquark, que se aniquila inmediatamente para formar un gluón. La energía de este mar en constante agitación correspondería a la parte que falta en la masa de protones.

¿Se resolvió así el enigma de la masa? En 2008, Laurent Lellouch, del Centro de Física Teórica del CNRS y la Universidad de Aix-Marsella, y sus colegas confirmaron la hipótesis del papel del mar calculando la masa del protón por computadora utilizando una técnica llamada «Cromodinámica cuántica en una red «. El resultado fue consistente con las mediciones experimentales.

Los físicos se preguntaron entonces sobre la composición del mar de quarks y antiquarks. ¿Aparecen allí con más frecuencia ciertos sabores de quarks y antiquarks? Los sabores tienen diferentes masas: quarks usted y D tener una masa del orden de unos pocos megaelectronvoltios (en unidades de energía), s es aproximadamente 100 veces más pesado, C y B son casi 1000 veces más pesados ​​y t es 100.000 veces más masivo. Si todos los quarks contribuyen al mar, está dominado por los dos quarks más ligeros, porque la probabilidad de un par quark-antiquark disminuye con la masa. La cuestión, por tanto, se reduce a saber en qué proporciones el quark usted y el quark D. A priori, con sus masas cerca, se puede pensar que aparecen en partes iguales.

Los quarks de valencia representan solo un pequeño porcentaje de la masa del protón

Qué difícil es distinguir un quark perteneciente al triplete de valencia uud A partir de un quark perteneciente al mar, los investigadores centraron su atención en los antiquarks, que inevitablemente se originan en el mar, y en sus experimentos se centran en un determinado proceso de sondeo del protón. En 1970, los estadounidenses Sidney Drell y Tung-Mow Yan propusieron bombardear un objetivo de protones (un gas hidrógeno) con un haz de protones. Cuando un quark de valencia de protón incidente interactúa con el antiquark marino de un protón objetivo, se aniquilan en un fotón que a su vez se desintegra en un par electrón-positrón o un par muón. Antimuon (el muón es una versión más pesada del electrón). En este tipo de experimento, los muones son más fáciles de medir; por lo tanto, los físicos analizan los muones emergentes para determinar las proporciones de los antiquarks. usted y D.

Se realizaron dos experimentos para realizar este tipo de medición. Experiencia NA51, en el CERN, publicó sus resultados en 1994; experiencia NuSea, en Fermilab, cerca de Chicago, en 2001. Los dos experimentos llevaron a una conclusión sorprendente: en el mar de protones, los antiquarks D son un poco más numerosos que los antiquarks usted.

Los senderos de la asimetría

¿Cómo explicar esta asimetría? Se han introducido varios mecanismos. Por ejemplo, algunos físicos invocaron el principio de exclusión de Pauli, que se aplica en particular a los quarks y que prohíbe que dos partículas idénticas estén en el mismo estado cuántico. Como el protón tiene dos quarks usted valencia y solo uno D, el principio de exclusión de Pauli prefiere favorecer el par quark-antiquark del tipo D. Otra pista es decir que la estructura del protón oscila entre la que tiene tres quarks de valencia. (uud) y una forma que combina un neutrón (udd) y un pyon positivo, una partícula formada por un quark usted y un antiquark D. Este último tendría, por tanto, una mayor presencia en el mar de los antiquarks. Finalmente, un modelo estadístico que compara el mar de quarks con un gas también presenta un exceso de antiquarks. D.

Estas diferentes explicaciones no proporcionan las mismas predicciones cuantitativas, sino la precisión de los dos experimentos. NA51 y NuSea fue insuficiente para discriminarlos. Lo más sorprendente, en la experiencia NuSea, los físicos dedujeron la proporción de abundancia de antiquarks usted y D dependiendo del momento del quark de protones incidente involucrado en la reacción de Drell-Yan. Descubrieron que, en un gran impulso, la proporción parecía invertirse a favor de los antiquarks. usted, lo que socavó los escenarios propuestos.

Pero este resultado, en el límite de las capacidades de medición de la experiencia NuSea, no era necesariamente muy fiable. Por tanto, fue necesario repetir el experimento. Esto es lo que ha emprendido la colaboración SeaQuest, en Fermilab. Con mayor precisión, el equipo demostró que la proporción se mantuvo casi constante a favor de los antiquarks. D incluso a alta energía, lo que contradice las mediciones más recientes de NuSea. Este nuevo resultado rehabilita los escenarios teóricos, pero no permite discriminarlos.

Para resolver este acertijo, las simulaciones que utilizan los primeros principios de la cromodinámica cuántica para calcular las propiedades del protón serán de gran ayuda. Pero la solución puede llegar midiendo el giro del protón.

Spin es una cantidad cuántica que corresponde al momento angular intrínseco de la partícula. Sin embargo, así como los quarks de valencia representan solo un pequeño porcentaje de la masa del protón, contribuyen solo en un 30% a su espín. ¿Cómo recupera el mar de quarks y antiquarks el 70% restante? Los modelos estadísticos o aquellos que involucran la configuración neutrón-pión podrían conducir a predicciones bastante diferentes, lo que permitiría probarlos. Y ya se están estudiando experimentos en Fermilab, en el laboratorio estadounidense de Brookhaven y en Cern. ¿Acabarán los físicos extrayendo todos los tesoros escondidos en el fondo de este mar de partículas virtuales?