Un experimento que lleva más de 10 años en desarrollo ha permitido vislumbrar por primera vez una tormenta de partículas subatómicas llamadas neutrones, sentando las bases para resolver un misterio en el corazón de la materia.
Los datos del Detector Central de Neutrones de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson (TJNAF) del Departamento de Energía de EE. UU. ya están desempeñando un papel en la definición del mapa cuántico de la inyección de neutrones.
Sylvia Nicolai, directora de investigación del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas, afirma que se trata de un resultado muy importante para el estudio de los nucleones.
Lo que consideramos el centro de un átomo es un enjambre de partículas aún más pequeñas llamadas quarks, que luchan contra el intercambio viscoso de gluones. Dondequiera que dos quarks de un sabor llamado «arriba» estén unidos a un sabor llamado «abajo», se obtiene un protón. Haga dos quarks abajo y uno arriba, y tendrá un neutrón.

Describir los tríos de quarks de esta manera los organiza como huevos en una caricatura. De hecho, existen sin ninguna tormenta caótica y fácilmente ordenada de partículas y partículas y no existen en competencia cuántica.
Para comprender la distribución y los movimientos de enjambres de quarks en sus cadenas de gluones, los físicos tradicionalmente han disparado partículas nucleares con electrones y observado cómo se detienen las diminutas esferas. Para describir fácilmente los resultados de estos experimentos, los teóricos se refieren a las unidades de quarks y gluones que operan bajo diferentes estructuras cuánticas como partículas.
En las últimas décadas, los experimentos con aceleradores de partículas de alta energía que utilizan el espectrómetro de gran aceptación CEBAF y su actualización en TJNAF han resuelto el rompecabezas protón-partón. es, lo que implica una discrepancia implícita entre la masa y el tamaño del nucleón.
Los neutrones son un hueso duro de roer y envían sus metralla de electrones a los bordes más allá del alcance del detector del espectrómetro.
«En la configuración estándar no se detectan neutrones en estos ángulos», afirma Nicolai.
En 2011, se inició la construcción del nuevo detector en colaboración con el CNRS, que finalmente se instaló en 2017, antes de aumentar su velocidad en las primeras pruebas experimentales en 2019 y 2020.

Lejos de los planos lisos, el diseño experimental permitió que ocasionalmente se filtraran protones y contaminaran los resultados. Después de filtrar un poco a través de un filtro de aprendizaje automático especialmente diseñado, los números finalmente se pueden aplicar a modelos teóricos de actividad neutrónica.
El primer estudio que utilizó los datos impuso restricciones muy necesarias a una de las distribuciones de partículas en neutrones menos comprendidas, conocida como distribución generalizada de partones (GPD) E.
Al comparar los resultados del experimento con datos anteriores sobre protones, los investigadores utilizaron la diferencia en los quarks para distinguir una característica matemática clave del GPD E de modelos similares.
«La GPD E es muy importante porque puede darnos información sobre la estructura de espín del nucleón», afirma Nicolai.
En el sentido cuántico, el espín captura una cualidad similar al momento angular en nuestro mundo cotidiano. Mediciones anteriores de los espines de los quarks han demostrado que las propiedades que componen los protones y los neutrones contribuyen no más de aproximadamente el 30% del espín total del nucleón, lo que lleva a la llamada crisis de espín.
De dónde proviene el resto, ya sea de interacciones con gluones o de algún otro comportamiento menos comprendido, es una cuestión que futuros experimentos quizá resuelvan finalmente.
Es casi seguro que contar con un medio para comparar con precisión los motores gemelos que arden en el corazón de los átomos conducirá a nuevos e interesantes conocimientos sobre la mecánica cuántica.
Esta investigación se publica en carta de revisión física.