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5 de Marzo de 2019
Física

Resuelto un misterio sobre el comportamiento de los quarks

La estructura interna de los protones y de los neutrones se modifica cuando estas partículas se agregan y forman pares correlacionados. Sus quarks se portan entonces de forma diferente que cuando protones y neutrones están libres. Este último fenómeno se conocía desde 1984, pero ahora se ofrece una confirmación experimental de esa explicación.

Los detectores del experimento CLAS [por cortesía de CEBAF, CLAS].

Los núcleos atómicos constan de dos tipos de partículas, los protones y los neutrones. A su vez, los protones y los neutrones están formados por quarks (una familia de partículas elementales) de diverso tipo y de gluones, las partículas elementales que mantienen unidos los quarks como si fuesen un pegamento (de ahí su nombre, que viene del inglés glue, pegamento).

Pero esta es solo la primera parte del cuento, la definición en términos generales de las interacciones entre los quarks. La segunda, la que incluye los detalles de esas interacciones, escapaba en buena medida a las capacidades descriptivas de los físicos.

Pero ahora los investigadores de la colaboración CLAS, que trabaja con el acelerador CEBAF (Instalaciones del Acelerador de Haces de Electrones Continuos), del Laboratorio Jefferson (JLab), en Estados Unidos, anuncian en Nature que han resuelto un enigma que duraba desde 1984. Aquel año, el experimento Colaboración Europea del Muon (EMC), que se realizaba en el CERN, en Ginebra, arrojaba un resultado fundamental: los quarks que componen los protones y los neutrones de un núcleo atómico se comportan de modo diferente que los que componen los protones y neutrones libres, no ligados a un núcleo.

Este fenómeno, que recibiría el nombre de efecto EMC, no tenía una explicación física que convenciese a todos, pero se siguió indagándolo con experimentos de colisiones en los aceleradores de partículas. En la práctica, lo que se hace en estos experimentos es enviar un haz de electrones sobre el sistema nuclear que se quiere estudiar. La energía de los electrones se calibra de modo que la longitud de onda asociada a cada electrón, tal y como lo describe la mecánica cuántica, tenga las mismas dimensiones que el blanco.

Para estudiar el interior de un núcleo se necesitaban entre 1 y 2 GeV (miles de millones de electronvoltios). De los parámetros físicos medidos durante las colisiones resulta posible deducir informaciones sobre las características del núcleo. Y gracias a una serie de mediciones de alta precisión efectuadas en el acelerador CEFAB se ha llegado finalmente a despejar las dudas que todavía quedaban sobre el modelo nuclear.

«El resultado obtenido por CLAS nos dice que la estructura interna de los protones y de los neutrones se modifica cuando estas partículas se agregan y forman pares correlacionados», comenta Raffaella De Vita, investigadora de la sección de Génova del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) italiano y portavoz de la colaboración CLAS.

Según el nuevo modelo que proponen, en las parejas correlacionadas  se produce una fuerte superposición de protones y neutrones, pero dura un tiempo brevísimo: las dos partículas tienden a continuación a repelerse intensamente. Estos movimientos que se alternan crean una suerte de danza, en la que las distancias recípocas de las partículas y la energía que interviene son variables.

«Uno de los territorios más misteriosos y por ahora solo explorado parcialmente de la constitución de la materia es el del comportamiento de los quarks en los protones y los neutrones, que pueden existir como partículas libres o agregarse en los núcleos de los átomos», explica Antonio Masiero, vicepesidente del INFN. «Este análisis, al que ha colaborado significativamente nuestro grupo de investigadores en el JLab, es un paso adelante en el estudio de la cromodinámica cuántica (es decir, de la dinámica cuántica de los quarks) a baja energía en los núcleos atómicos».

Como ha explicado Gerald Feldman, de la Universidad George Washington, en un artículo del mismo número de Nature donde comenta el resultado de CLAS, este tendrá importantes repercusiones para la física de partículas, ya que introduce algunas correcciones debidas al comportamiento de los protones y de los neutrones que habrá que tener en cuenta en diversos ámbitos, por ejemplo en las investigaciones sobre los neutrinos. En este caso, las cuentas cuadrarán con las nuevas informaciones sin que haya que recurrir fenómenos hipotéticos o partículas exóticas.

Le Scienze

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Le Scienze.

Referencia: «Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs», de The CLAS Collaboration en Nature, volumen 566páginas 354358 (2019).

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