Los físicos nucleares han descubierto el profundo efecto de la gravedad en la escala cuántica, revelando por primera vez la distribución de la fuerza fuerte dentro de un protón. Esta investigación fundamental, que combina conocimientos teóricos históricos con datos experimentales modernos, ofrece una comprensión sin precedentes de la dinámica interna del protón y sienta las bases para futuros descubrimientos en la ciencia nuclear.
Los físicos nucleares del Laboratorio Jefferson han mapeado la distribución de la fuerza fuerte dentro de los protones, utilizando un marco que se vincula con la gravedad, abriendo una nueva vía para la exploración.
El efecto de la gravedad es claramente evidente en todo el universo observable. Sus efectos se observan en las órbitas sincrónicas de las lunas alrededor de los planetas, en los cometas que son desviados de su trayectoria por la atracción gravitacional de estrellas más grandes y en las espectaculares espirales de las galaxias gigantes. Estos espectaculares fenómenos resaltan el papel de la gravedad a gran escala de la materia. Mientras tanto, los físicos nucleares están descubriendo el importante papel de la gravedad en la escala más pequeña de la materia.
Una nueva investigación realizada por físicos nucleares de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. está utilizando un método que combina la teoría de la gravedad con las interacciones entre pequeñas partículas de materia para revelar nuevos detalles a esta pequeña escala. La investigación ha revelado ahora, por primera vez, una instantánea de la distribución de la fuerza fuerte dentro de los protones. Esta instantánea ilustra en detalle el esfuerzo cortante que los quarks de fuerza pueden ejercer sobre las partículas que forman los protones. El resultado fue publicado recientemente. Revisión de física moderna.
Información sobre la estructura del protón.
Según el autor principal del estudio, Volker Burkert, científico principal del Laboratorio Jefferson, la medición revela información sobre el entorno experimentado por los componentes básicos del protón. Los protones están formados por tres quarks que están unidos por la fuerza fuerte.
«En su punto máximo, esto supone más de cuatro toneladas de fuerza que tendrían que aplicarse a un quark para expulsarlo de un protón», explicó Burkert. «La naturaleza, por supuesto, no nos permite separar un solo quark de un protón, debido a la propiedad de los quarks llamada ‘color’. Hay tres colores que se combinan con los quarks del protón para que parezca incoloro desde el exterior, lo que requiere su existencia en el espacio. Intentar separar un quark coloreado de un protón creará un par quark/antiquark incoloro, un mesón, que consume la energía que intentaste separar el quark, dejando atrás un protón (o neutrón) incoloro. Por lo tanto, 4 toneladas es un ejemplo de la intensidad de la fuerza intrínseca al protón.
El resultado es sólo un segundo de las propiedades mecánicas del protón que se van a medir. Las propiedades mecánicas del protón incluyen su presión interna (medida en 2018), su distribución de masa (tamaño físico), su momento angular y su esfuerzo cortante (que se muestra aquí). El resultado fue posible gracias a una predicción de hace medio siglo y a datos de dos décadas de antigüedad.
A mediados de la década de 1960, se teorizó que si los físicos nucleares pudieran observar cómo interactúa la gravedad con las partículas subatómicas, como los protones, tales experimentos podrían revelar directamente las propiedades mecánicas del protón.
“Pero en ese momento no había manera. Si comparamos la gravedad con la fuerza electromagnética, por ejemplo, la diferencia es de 39 órdenes de magnitud, por lo que es completamente inútil, ¿verdad? explicó Latifah Elvadriri, científica del Jefferson Lab y coautora del estudio.
Fundamentos teóricos y logros empíricos.
Los datos de décadas de antigüedad provienen de experimentos realizados con la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuo (CABEF) del Laboratorio Jefferson, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Un experimento típico del CEBAF implica que un electrón energético interactúe con otra partícula mediante el intercambio de un paquete de energía y una unidad de momento angular.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>fotón con partícula La energía de un electrón dicta con qué partículas interactúa de esta manera y cómo responden.
En el experimento, se aplicó al protón una fuerza superior a las cuatro toneladas necesarias para extraer el par quark/antiquark mediante un haz de electrones de alta energía que interactuaba con el protón en un objetivo de gas hidrógeno líquido.
“Desarrollamos el programa para estudiar la dispersión Compton virtual profunda. Aquí es donde un electrón intercambia un fotón virtual con un protón. Y en el último caso, el protón permanece igual pero rebota, y se crea un fotón real de muy alta energía, más el electrón disperso», dijo Elwahiri. «Cuando tomamos los datos, no sabíamos «Más allá de las imágenes tridimensionales que pretendíamos con estos datos, también estábamos recopilando datos necesarios para acceder a las propiedades mecánicas de los protones».
Resulta que este proceso específico, la dispersión Compton virtual profunda (DVCS), puede estar relacionado con la forma en que la gravedad interactúa con la materia. La versión general de esta serie se describe en el libro de texto de 1973 Sobre la teoría general de la gravitación de Einstein de Charles W. Misner, Kip S. Thorne y John Archibald Wheeler.
En él, escribieron: «Cualquier campo de espín-2 sin masa da lugar a una fuerza que es inseparable de la gravedad, porque un campo de espín-2 sin masa da lugar al tensor de tensión-energía. De la misma manera, los acoplamientos están relacionados a la gravedad. «
Tres décadas después, el teórico Maxim Polyakov estableció la base teórica aplicando esta teoría que vincula el proceso DVCS y la comunicación grupal.
«Este avance en teoría establece una relación entre el tamaño del campo gravitacional del Compton virtual. Y pudimos usarlo por primera vez y quitarnos la presión que hicimos. naturaleza Papel en 2018, y ahora fuerza normal y fuerza de corte», explicó Burkert.
Puede encontrar una descripción más detallada de la conexión entre el proceso DVCS y la interacción gravitacional en este artículo que describe los primeros resultados obtenidos de esta investigación.
Direcciones futuras y desarrollos teóricos.
Los investigadores dicen que su siguiente paso es trabajar en la extracción de la información que necesitan de los datos DVCS existentes para permitir la primera determinación del tamaño mecánico del protón. También esperan aprovechar nuevos experimentos de alta estadística y alta energía que continúan investigando DVCS en protones.
Al mismo tiempo, los coautores del estudio están sorprendidos por la abundancia de nuevos esfuerzos teóricos, detallados en cientos de publicaciones teóricas, que han comenzado a explotar esta forma recién descubierta de explorar las propiedades mecánicas de los protones.
«Y también, ahora que estamos en esta nueva era de descubrimientos con el Plan de Ciencia Nuclear de Largo Alcance 2023 publicado recientemente. Este será un pilar importante de la dirección científica con nuevas instalaciones y nuevos desarrollos de detectores. Estamos ansiosos por eso. «Qué más se puede hacer», dijo Burkert.
Elouadhriri está de acuerdo.
«Y en mi opinión, esto es sólo el comienzo de algo grande que está por venir». Ya ha cambiado la forma en que pensamos sobre la estructura de las proteínas», afirmó.
«Ahora podemos expresar la estructura de las partículas subnucleares en términos de fuerzas, presión y tamaño físico, que tampoco están relacionados con la física», añadió Burkert.
Cita: «la columna: Factores de forma gravitacional de los protones” por VD Burkert, L. Elouadhriri, FX Girod, C. Lorcé, P. Schweitzer y PE Shanahan, 22 de diciembre de 2023, Revisión de física moderna.
DOI: 10.1103/RevModPhys.95.041002
El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y el Fondo de Investigación Carl J. y Shirley Sontheimer.
