Los físicos nucleares llevan mucho tiempo trabajando para revelar cómo el protón obtiene su giro. Ahora, un nuevo método que combina datos experimentales con cálculos de última generación ha revelado una imagen más detallada de las contribuciones del espín del propio pegamento que mantiene unidos a los protones. También allana el camino para obtener imágenes de la estructura tridimensional del protón.
El trabajo fue dirigido por Joseph Karpie, asociado postdoctoral en el Centro de Física Teórica y Computacional (Centro Teórico) de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU.
Dijo que este misterio de décadas comenzó con mediciones de las fuentes del giro del protón en 1987. Los físicos originalmente pensaron que los componentes básicos del protón, sus quarks, serían la fuente principal del giro del protón. Pero eso no es lo que encontraron. Resultó que los quarks del protón sólo proporcionan alrededor del 30% del espín total medido del protón. El resto proviene de otras dos fuentes que hasta ahora han resultado más difíciles de medir.
Una es la fuerza fuerte misteriosa pero poderosa. La fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Es lo que «pega» los quarks para formar otras partículas subatómicas, como protones o neutrones. Las manifestaciones de esta fuerte fuerza se denominan gluones, y se cree que contribuyen al giro del protón. Se cree que el último giro proviene de los movimientos de los quarks y gluones del protón.
«Este artículo es una especie de reunión de dos grupos en el Centro Teórico que han estado trabajando para tratar de comprender la misma parte de la física, que es cómo los gluones que están dentro de él contribuyen a la cantidad de giro del protón. ,» él dijo.
Dijo que este estudio se inspiró en un resultado desconcertante que surgió de las mediciones experimentales iniciales del giro de los gluones. Las mediciones se realizaron en el Relativistic Heavy Ion Collider, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE con sede en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York. Al principio, los datos parecían indicar que los gluones podrían estar contribuyendo al giro del protón. Mostraron un resultado positivo.
Pero a medida que se mejoró el análisis de los datos, apareció otra posibilidad.
«Cuando mejoraron su análisis, comenzaron a obtener dos conjuntos de resultados que parecían bastante diferentes, uno era positivo y el otro negativo», explicó Karpie.
Si bien el resultado positivo anterior indicó que los espines de los gluones están alineados con el del protón, el análisis mejorado permitió la posibilidad de que los espines de los gluones tengan una contribución negativa general. En ese caso, una mayor parte del espín del protón vendría del movimiento de los quarks y gluones, o del espín de los propios quarks.
Este resultado desconcertante fue publicado por la colaboración Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).
Mientras tanto, la colaboración HadStruc había estado abordando las mismas mediciones de una manera diferente. Estaban usando supercomputadoras para calcular la teoría subyacente que describe las interacciones entre quarks y gluones en el protón, la Cromodinámica Cuántica (QCD).
Para equipar supercomputadoras que puedan realizar este intenso cálculo, los teóricos simplifican un poco algunos aspectos de la teoría. Esta versión algo simplificada para computadoras se llama Lattice QCD.
Karpie dirigió el trabajo para reunir los datos de ambos grupos. Comenzó con los datos combinados de experimentos realizados en instalaciones de todo el mundo. Luego añadió los resultados del cálculo de la QCD de la red a su análisis.
«Esto reúne todo lo que sabemos sobre el espín de los quarks y los gluones y cómo los gluones contribuyen al espín del protón en una dimensión», dijo David Richards, científico senior del Laboratorio Jefferson que trabajó en el estudio.
«Cuando lo hicimos, vimos que las cosas negativas no desaparecieron, pero cambiaron dramáticamente. Eso significa que algo extraño está sucediendo con ellas», dijo Karpie.
Karpie es el autor principal del estudio que se publicó recientemente en Revisión física D. Dijo que la conclusión principal es que la combinación de los datos de ambos enfoques proporcionó un resultado más informado.
«Estamos combinando nuestros dos conjuntos de datos y obteniendo un mejor resultado que el que cualquiera de nosotros podría obtener de forma independiente. Realmente demuestra que aprendemos mucho más combinando QCD reticular y experimentando juntos en un análisis de problema», dijo Karpie. «Este es el primer paso y esperamos seguir haciéndolo con más y más observables y a medida que generemos más datos reticulares».
El siguiente paso es mejorar aún más los conjuntos de datos. A medida que experimentos más potentes proporcionan información más detallada sobre el protón, estos datos empiezan a pintar un cuadro que va más allá de una dimensión. Y a medida que los teóricos aprenden cómo mejorar sus cálculos en supercomputadoras cada vez más potentes, sus soluciones también se vuelven más precisas e inclusivas.
El objetivo es llegar a una comprensión tridimensional de la estructura del protón.
«Entonces, aprendemos que nuestras herramientas funcionan en el escenario unidimensional más simple. Al probar nuestros métodos ahora, esperamos saber qué debemos hacer cuando queramos pasar a hacer una estructura 3D», dijo Richards. «Este trabajo contribuirá a esta imagen en 3D de cómo debería verse un protón. Así que se trata de abrirnos camino hasta el corazón del problema haciendo estas cosas más fáciles ahora».