Los resultados de los más recientes experimentos proporcionan una mejor comprensión de la estructura interna del protón, el componente básico de todos los núcleos.
Interpretación artística de la estructura interna de un protón que muestra los quarks y pares quark-antiquark, con resortes que representan los gluones uniendo los quarks. Crédito: Klaus Rith.
En una reunión que tuvo lugar esta semana, de la American Physical Society en Washington, Bernd Surrow, Profesor Asociado de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), informó sobre los nuevos resultados del experimento STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativísticos (RHIC) que proporcionan una mejor comprensión de la estructura interna del protón, el componente básico de todos los núcleos.
El único colisionador de protones polarizados del mundo, en el Laboratorio Nacional Brookhaven (RHIC), en Upton, Nueva York, es utilizado por físicos del MIT para entender cómo el protón obtiene su giro (spin), una propiedad mecánica cuántica fundamental (el spin se manifiesta como un campo magnético intrínseco, una propiedad que es la base del sistema de imágenes por resonancia magnética o MRI). En 2009, protones con spin polarizado se chocaron en el RHIC en un centro de masa de alta energía record de 500 giga electrón volts (GeV). En esta alta energía -una energía 250 veces la masa de dos protones en colisión- los protones se mueven prácticamente a la velocidad de la luz y los quarks dentro del protón son capaces de "verse" entre sí en una resolución que es muy pequeña en comparación con el tamaño del protón. Esto permite a los científicos estudiar la estructura interna del mismo.
Nadie ha logrado aún realizar una descomposición de la rotación de protones en términos de sus componentes más elementales, los quarks y los gluones. La ilustración que acompaña este artículo muestra un modelo de lo complicado que son los "simples" protones; su estructura surge a través de la fuerza de interacción fuerte (de alcance nuclear) y es descripta por la teoría cuántica de quarks y gluones, conocida como Cromodinámica Cuántica (QCD). Esta teoría ha sido hasta ahora incapaz de explicar el origen del giro del protón; así de nuevo es el conocimiento obtenido a partir de los experimentos. Se ha establecido que los quarks representan sólo el 25 por ciento de giro del protón y datos anteriores de Brookhaven proporcionados por el equipo de Surrow indican que la contribución de los gluones también es pequeña.
Los protones tienen un spin de ½, un número cuya simplicidad es convincente, teniendo en cuenta que el protón está formado de varias partículas constituyentes.
¿Cómo lo hicieron?
Los resultados presentados esta semana en Washington han establecido una nueva manera de explorar la estructura de giro de los protones mediante la interacción débil (una de las cuatro fuerzas de la naturaleza, junto con la gravedad, el elctromagnetismo y la interacción fuerte), que es responsable de la desintegración radiactiva β (un proceso que convierte un neutrón en un protón, con emisión de un electrón y un antineutrino electrónico).
Diagrama de Feynman de una desintegración β-, proceso a través del cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda, un quark down (en azul), emite una partícula W- (bosón) pasando a ser un quark up; la partícula emitida (W-) se desintegra en un antineutrino electrónico y un electrón. El protón y el neutrón pertenecen al grupo de los bariones en el modelo estándar. Son partículas formadas por tres quarks; el neutrón por un quark up y dos quarks down, y el protón por dos quarks up y un quark down. Crédito: Wikipedia.
La interacción débil es mediada por partículas muy masivas (alrededor de 80 GeV) conocidas como bosones W. En el RHIC, la polarización longitudinal de los haces de protones polarizados que chocan a altas energías permite en los experimentos observar directamente las interacciones débiles mediante la detección de los electrones en la desintegración de los bosones W producidos. Este proceso da lugar a una gran violación de la paridad de la señal. (Violación de la paridad significa que los resultados de la física son diferentes según el sentido en que ocurren los procesos, solo los componentes zurdos de las partículas y los componentes diestros de las antipartículas participan en la interacción débil en el modelo estándar. La paridad en cambio se conserva en el electromagnetismo, la interacción fuerte y la gravitación). Esta señal se ha establecido por primera vez mediante la medición cuidadosa del giro dependiente de la sección transversal (esta es una medida de la cantidad de colisiones, del nivel de impacto) bajo la dirección del grupo de Surrow en el Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT. El experimento STAR es muy adecuado para llevar a cabo estas mediciones, debido a su gran aceptación para la detección de los electrones producidos por la desintegración del bosón W. Además, se puede discriminar contrastando con los procesos de fondo de la interacción fuerte.
El bosón W y su lugar en el modelo estandar. Este modelo abarca tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (no está integrada la gravedad): electromagnetisnmo, interacción (o fuerza nuclear) débil e interacción (o fuerza nuclear) fuerte. El bosón es la mediadora de la interacción débil. Crédito: Wikipedia.
La producción de los bosones W ofrece una herramienta ideal para estudiar la estructura de giro de los quarks del protón. Los bosones W son producidos en colisiones quark-antiquark y pueden ser detectados a través de sus respectivas desintegraciones de electrones. El análisis distingue el signo de la carga eléctrica del producto de la desintegración, lo cual proporciona una visión directa de la polarización de quarks a altas energías donde los cálculos fundamentales están bajo control. Los resultados del grupo de Surrow establecen claramente los diferentes patrones de polarizaciónde de los quarks arriba y abajo (up y down). Ellos son coherentes con los cálculos fundamentales en el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas. Esta nueva técnica permite una sensibilidad directa frente a la polarización de anti-quarks.
Próximos pasos: el grupo de Surrow está también desarrollando nuevos detectores de seguimiento que aumentarán enormemente la capacidad de detectar la violación de la paridad en los eventos W en la toma de datos adicionales previstos para 2011/2012. Estas medidas se centrarán en la medición de la polarización de los anti-quarks, que sólo viven fugazmente en el protón.
Financiación: El trabajo en el MIT está apoyado por una subvención de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, así como el funcionamiento del complejo RHIC de Brookhaven. Algunos apoyos también son proporcionados por la Fundación Nacional de Ciencias para el experimento STAR y por Rikagaku Kenkyusho (RIKEN, Instituto de Investigación Física y Química) de Japón.
Traducción libre de:
How does the proton get its spin? (Anne Trafton, MIT News Office)
Interpretación artística de la estructura interna de un protón que muestra los quarks y pares quark-antiquark, con resortes que representan los gluones uniendo los quarks. Crédito: Klaus Rith.En una reunión que tuvo lugar esta semana, de la American Physical Society en Washington, Bernd Surrow, Profesor Asociado de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), informó sobre los nuevos resultados del experimento STAR en el Colisionador de Iones Pesados Relativísticos (RHIC) que proporcionan una mejor comprensión de la estructura interna del protón, el componente básico de todos los núcleos.
El único colisionador de protones polarizados del mundo, en el Laboratorio Nacional Brookhaven (RHIC), en Upton, Nueva York, es utilizado por físicos del MIT para entender cómo el protón obtiene su giro (spin), una propiedad mecánica cuántica fundamental (el spin se manifiesta como un campo magnético intrínseco, una propiedad que es la base del sistema de imágenes por resonancia magnética o MRI). En 2009, protones con spin polarizado se chocaron en el RHIC en un centro de masa de alta energía record de 500 giga electrón volts (GeV). En esta alta energía -una energía 250 veces la masa de dos protones en colisión- los protones se mueven prácticamente a la velocidad de la luz y los quarks dentro del protón son capaces de "verse" entre sí en una resolución que es muy pequeña en comparación con el tamaño del protón. Esto permite a los científicos estudiar la estructura interna del mismo.
Nadie ha logrado aún realizar una descomposición de la rotación de protones en términos de sus componentes más elementales, los quarks y los gluones. La ilustración que acompaña este artículo muestra un modelo de lo complicado que son los "simples" protones; su estructura surge a través de la fuerza de interacción fuerte (de alcance nuclear) y es descripta por la teoría cuántica de quarks y gluones, conocida como Cromodinámica Cuántica (QCD). Esta teoría ha sido hasta ahora incapaz de explicar el origen del giro del protón; así de nuevo es el conocimiento obtenido a partir de los experimentos. Se ha establecido que los quarks representan sólo el 25 por ciento de giro del protón y datos anteriores de Brookhaven proporcionados por el equipo de Surrow indican que la contribución de los gluones también es pequeña.
Los protones tienen un spin de ½, un número cuya simplicidad es convincente, teniendo en cuenta que el protón está formado de varias partículas constituyentes.
¿Cómo lo hicieron?
Los resultados presentados esta semana en Washington han establecido una nueva manera de explorar la estructura de giro de los protones mediante la interacción débil (una de las cuatro fuerzas de la naturaleza, junto con la gravedad, el elctromagnetismo y la interacción fuerte), que es responsable de la desintegración radiactiva β (un proceso que convierte un neutrón en un protón, con emisión de un electrón y un antineutrino electrónico).
Diagrama de Feynman de una desintegración β-, proceso a través del cual un neutrón puede convertirse en protón. En la figura uno de los tres quarks del neutrón de la izquierda, un quark down (en azul), emite una partícula W- (bosón) pasando a ser un quark up; la partícula emitida (W-) se desintegra en un antineutrino electrónico y un electrón. El protón y el neutrón pertenecen al grupo de los bariones en el modelo estándar. Son partículas formadas por tres quarks; el neutrón por un quark up y dos quarks down, y el protón por dos quarks up y un quark down. Crédito: Wikipedia.La interacción débil es mediada por partículas muy masivas (alrededor de 80 GeV) conocidas como bosones W. En el RHIC, la polarización longitudinal de los haces de protones polarizados que chocan a altas energías permite en los experimentos observar directamente las interacciones débiles mediante la detección de los electrones en la desintegración de los bosones W producidos. Este proceso da lugar a una gran violación de la paridad de la señal. (Violación de la paridad significa que los resultados de la física son diferentes según el sentido en que ocurren los procesos, solo los componentes zurdos de las partículas y los componentes diestros de las antipartículas participan en la interacción débil en el modelo estándar. La paridad en cambio se conserva en el electromagnetismo, la interacción fuerte y la gravitación). Esta señal se ha establecido por primera vez mediante la medición cuidadosa del giro dependiente de la sección transversal (esta es una medida de la cantidad de colisiones, del nivel de impacto) bajo la dirección del grupo de Surrow en el Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT. El experimento STAR es muy adecuado para llevar a cabo estas mediciones, debido a su gran aceptación para la detección de los electrones producidos por la desintegración del bosón W. Además, se puede discriminar contrastando con los procesos de fondo de la interacción fuerte.
El bosón W y su lugar en el modelo estandar. Este modelo abarca tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (no está integrada la gravedad): electromagnetisnmo, interacción (o fuerza nuclear) débil e interacción (o fuerza nuclear) fuerte. El bosón es la mediadora de la interacción débil. Crédito: Wikipedia.La producción de los bosones W ofrece una herramienta ideal para estudiar la estructura de giro de los quarks del protón. Los bosones W son producidos en colisiones quark-antiquark y pueden ser detectados a través de sus respectivas desintegraciones de electrones. El análisis distingue el signo de la carga eléctrica del producto de la desintegración, lo cual proporciona una visión directa de la polarización de quarks a altas energías donde los cálculos fundamentales están bajo control. Los resultados del grupo de Surrow establecen claramente los diferentes patrones de polarizaciónde de los quarks arriba y abajo (up y down). Ellos son coherentes con los cálculos fundamentales en el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas. Esta nueva técnica permite una sensibilidad directa frente a la polarización de anti-quarks.
Próximos pasos: el grupo de Surrow está también desarrollando nuevos detectores de seguimiento que aumentarán enormemente la capacidad de detectar la violación de la paridad en los eventos W en la toma de datos adicionales previstos para 2011/2012. Estas medidas se centrarán en la medición de la polarización de los anti-quarks, que sólo viven fugazmente en el protón.
Financiación: El trabajo en el MIT está apoyado por una subvención de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, así como el funcionamiento del complejo RHIC de Brookhaven. Algunos apoyos también son proporcionados por la Fundación Nacional de Ciencias para el experimento STAR y por Rikagaku Kenkyusho (RIKEN, Instituto de Investigación Física y Química) de Japón.
Traducción libre de:
How does the proton get its spin? (Anne Trafton, MIT News Office)
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