Una fiesta de amigos del protón puede alterar su estructura interna

Un experimento realizado recientemente en las Instalaciones del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, en su sigla en inglés), ha encontrado que los vecinos más cercanos de un protón en el núcleo del átomo pueden modificar la estructura interna de esa partícula.

Visualización de helio-4 y los núcleos de berilio. Imagen: Peter Mueller (Argonne National Lab)

Al comparar los grandes núcleos con los pequeños, mediciones anteriores han demostrado una clara diferencia en cómo se distribuyen las partículas constituyentes de los protones, los llamados quarks (ver abajo). Esta diferencia se denomina efecto EMC (ver abajo).

Muchos modelos de EMC predicen que el efecto es causado por la masa o la densidad del núcleo en los cuales residen los protones. Para probar estas predicciones, los investigadores hicieron nuevas mediciones precisas de los efectos EMC en una variedad de núcleos ligeros, como los isótopos de helio.

"Lo que encontramos es que hay una modificación importante de la estructura de los quarks en el helio-4 (2 protones y 2 neutrones), y hubo un efecto mucho menor en el helio-3 (2 protones y 1 neutrón). Y a pesar de que ambos eran núcleos ligeros, ellos experimentan un efecto EMC muy diferente", dijo John Arrington, un portavoz de la prueba y físico nuclear en el Argonne National Lab del DOE.

Los resultados, agregó Arrington, descartan la idea de que el tamaño del efecto EMC aumenta de valor con la masa del núcleo.

A continuación, los investigadores dirigieron su atención a la densidad. Se comparó el efecto EMC en el berilio con el de otros núcleos. El berilio (4 protones y 5 neutrones) tiene una masa similar a la del carbono (6 protones y 6 neutrones), pero una densidad mucho más baja, aproximadamente la misma que el helio-3. Ellos encontraron que el tamaño del efecto de EMC en el berilio es similar al del carbono, que es dos veces más denso.

"Así que tienes un conjunto de datos que te indican que la imagen de la dependencia de la masa no funciona y otro que indica que la imagen de la dependencia de la densidad tampoco funciona", explicó Arrington. "Entonces, si ambas descripciones están equivocadas, ¿que es lo que realmente está pasando?"

Curiosamente, el resultado indicó una nueva causa posible para el efecto: la estructura microscópica del berilio. La mayoría de las veces, la configuración de berilio se compone de dos grupos en órbita que se parecen a los núcleos de helio-4 (cada uno con 2 protones y 2 neutrones), y un neutrón adicional (el quinto neutrón de este isótopo) en órbita alrededor.

Las agrupaciones en órbita dan un gran radio y una densidad media baja para el núcleo de berilio, pero la mayoría de los protones y los neutrones están contenidos dentro de las altas densidades locales de los grupos. Esto sugiere que el efecto EMC puede ser generado totalmente en estas pequeñas agrupaciones de alta densidad.

Tamaño del efecto EMC vs densidad nuclear efectiva.

"Esa es una hipótesis, pero ciertamente es claro que se trata de pequeños grupos de nucleones que se reúnen y cambian las cosas, en lugar de toda la colección", dijo Arrington. "En cierto modo, no es realmente sorprendente. Si estás en una fiesta, no importa cuántas personas están en la sala, la mayoría del tiempo estás interactuando con la gente que está más cercana".

Arrington dice que el paso siguiente consiste en tomar una nueva medida que examine directamente el impacto de la densidad local. Esto puede hacerse observando la estructura de quarks del deuterio, un núcleo formado por un solo protón y un neutrón. La mayoría de las veces, el protón y el neutrón están bastante distantes.

"Queremos aislar la estructura de los quarks en el momento en que el protón y el neutrón están muy cercanos entre sí. Si encontramos un gran efecto en el núcleo tan pequeño y simple mirando cuando el protón y el neutrón están más próximos, se demostrará que el efecto EMC no requiere un gran núcleo denso; simplemente requiere dos nucleones en contacto muy cercano ", explicó Arrington.

El experimento E03-103 corrió durante 21 días en el Pabellón C, en octubre de 2004. Se midieron los momentos de los protones expulsados de los núcleos de los átomos de hidrógeno, helio, berilio y carbono, por el acelerador de electrones del CEBAF (Instalación del acelerador de haz de electrones continuo).

Sobre el protón y el neutrón: Los protones están compuestos por tres quarks: dos quark arriba y un quark abajo. Los neutrones están compuestos por dos quark abajo y un quark arriba.

Sobre el efecto EMC: La Colaboración Europea de Muones (CEM) realizó experimentos de física de partículas de alta energía en el CERN. En 1983, descubrió que los nucleones (protones y neutrones) dentro de un núcleo, tienen una diferente distribución de momento entre sus quarks componentes. Esto fue llamado originalmente "Efecto EMC".

El resultado de este experimento fue publicado en la edición del 13 de noviembre de la revista Physical Review Letters.

Este trabajo fue apoyado en parte por el DOE, la National Science Foundation y la South African National Research Foundation.

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