Físicos confirman una complicación en la estructura de los protones
Mediciones más precisas han confirmado que la descripción actual de la estructura de los protones, fundamental para la física nuclear, es más compleja de lo establecido.
La nueva investigación de la polarizabilidad eléctrica del protón, realizada en la Instalación del Acelerador Thomas Jefferson de EEUU (Jefferson Lab), ha revelado un aumento en los datos de las sondas de la estructura del protón. Los hallazgos se publican en la revista Nature.
Según Ruonan Li, primer autor del nuevo artículo y estudiante graduado en la Universidad de Temple, las mediciones de la polarizabilidad eléctrica del protón revelan lo susceptible que es el protón a la deformación o estiramiento en un campo eléctrico. Al igual que el tamaño o la carga, la polarizabilidad eléctrica es una propiedad fundamental de la estructura del protón.
Además, una determinación precisa de la polarizabilidad eléctrica del protón puede ayudar a unir las diferentes descripciones del protón. Dependiendo de cómo se pruebe, un protón puede aparecer como una sola partícula opaca o como una partícula compuesta hecha de tres quarks unidos por la fuerza fuerte.
"Queremos comprender la subestructura del protón. Y podemos imaginarlo como un modelo con los tres quarks equilibrados en el medio", explicó Li en un comunicado. "Ahora, coloque el protón en el campo eléctrico. Los quarks tienen cargas positivas o negativas. Se moverán en direcciones opuestas. Entonces, la polarizabilidad eléctrica refleja la facilidad con la que el campo eléctrico distorsionará el protón".
Para probar esta distorsión, los físicos nucleares utilizaron un proceso llamado dispersión Compton virtual. Comienza con un haz cuidadosamente controlado de electrones energéticos de la instalación aceleradora de haz de electrones continuos del Jefferson Lab. Los electrones se envían chocando contra los protones.
En la dispersión Compton virtual, los electrones interactúan con otras partículas emitiendo un fotón energético o partícula de luz. La energía del electrón determina la energía del fotón que emite, que también determina cómo interactúa el fotón con otras partículas.
Los fotones de menor energía pueden rebotar en la superficie del protón, mientras que los fotones de mayor energía explotarán dentro del protón para interactuar con uno de sus quarks. La teoría predice que cuando estas interacciones fotón-quark se representan de energías más bajas a más altas, formarán una curva suave.
Nikos Sparveris, profesor asociado de física en la Universidad de Temple y portavoz del experimento, dijo que esta simple imagen no resistía el escrutinio. En cambio, las mediciones revelaron una protuberancia aún inexplicable.
"Lo que vemos es que hay una cierta mejora local en la magnitud de la polarizabilidad. La polarizabilidad disminuye a medida que la energía aumenta como se esperaba. Y, en algún momento, parece volver a subir temporalmente antes de que disminuya", dijo. "Según nuestra comprensión teórica actual, debería seguir un comportamiento muy simple. Vemos algo que se desvía de este comportamiento simple. Y este es el hecho que nos desconcierta en este momento".
La teoría predice que los electrones más energéticos sondean más directamente la fuerza fuerte, ya que une los quarks para formar el protón. Este extraño pico en la rigidez que los físicos nucleares ahora han confirmado en los quarks del protón indica que una faceta desconocida de la fuerza fuerte puede estar en el trabajo.
"Hay algo que claramente nos falta en este punto. El protón es el único bloque de construcción compuesto en la naturaleza que es estable. Entonces, si nos falta algo fundamental allí, tiene implicaciones o consecuencias para toda la física", alerta Sparveris.
Los físicos dijeron que el siguiente paso es desentrañar aún más los detalles de esta anomalía y realizar pruebas de precisión para verificar otros puntos de desviación y proporcionar más información sobre la fuente de la anomalía.
"Queremos medir más puntos en varias energías para presentar una imagen más clara y ver si hay alguna estructura adicional allí", dijo Li.
Sparveris estuvo de acuerdo. "También necesitamos medir con precisión la forma de esta mejora. La forma es importante para dilucidar aún más la teoría", dijo.
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