El humilde protón es la piedra angular del Universo material. Sus características definen la química, gobernando los equipos de electrones que convierten los átomos en moléculas y las moléculas en deslumbrante complejidad.
A pesar de todo lo que sabemos sobre su comportamiento, la estructura interna del protón es un caos de actividades que los científicos todavía están tratando de descifrar.
Un nuevo experimento en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. arroja luz sobre este misterio, revelando más sobre el interior de los protones y, de hecho, cómo la materia misma se ensambla a la escala más pequeña.
Investigadores de todo Estados Unidos han podido medir los movimientos de diminutas partículas fundamentales llamadas gluones que mantienen unidos a los protones. Anteriormente llamado factor de forma gravitacional gluónico de protones, esta medida actúa como una especie de ventana hacia la estructura de masa de la partícula nuclear cargada positivamente.
Lo que el equipo descubrió fue que el radio de la masa del protón variaba del radio que abarcaba su distribución de carga eléctrica, que a menudo se usa como indicador del tamaño de un protón. Aunque no se espera necesariamente que estos valores coincidan, las diferencias entre ellos pueden brindar más información a los científicos sobre cómo se ensambla un protón.
«El radio de esta estructura de masa es más pequeño que el radio de carga, por lo que nos da una idea de la jerarquía de masa en relación con la estructura de carga del nucleón». dicho Mark Jones, investigador principal de la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson en Virginia.
Dado que los gluones carecen de carga y masa, sus medidas deben tomarse indirectamente, por ejemplo, a partir de los productos de desintegración de parejas de quarks y antiquarks llamados mesones. El experimento involucró un haz de electrones y un haz de fotones que pasaban a través de hidrógeno líquido, lo que resultó en interacciones que produjeron un tipo de mesón llamado partícula J/ψ.
Al medir la precipitación de partículas J/ψ y comparar los resultados con modelos teóricos, los científicos calcularon las diferentes distribuciones de masa y carga eléctrica dentro de un protón.
El radio de carga eléctrica más grande significa que la masa del protón está concentrada, lo que sugiere que algunos de los gluones pueden extenderse más allá de los quarks portadores de masa, posiblemente confinándolos.
No se deje engañar por la naturaleza omnipresente del protón. Debajo del capó, es un torbellino de rarezas, partículas cuánticas que aparecen y desaparecen de maneras que dificultan el mapeo. Saber más sobre la estructura de la masa y la carga del protón se basa en nuestra comprensión fundamental de las partículas que componen el Universo que nos rodea.
Todavía hay mucho trabajo por hacer. Estos hallazgos se basan en parte en los modelos teóricos mencionados además de las observaciones experimentales, y aún no se sabe exactamente cómo se distribuye la masa de protones y cómo se relaciona con la actividad de los gluones.
Ya están planificados futuros estudios, incluyendo diferentes instrumentos y técnicas experimentales, y un mayor nivel de precisión. En poco tiempo, podemos saber exactamente qué es un protón.
«Al final del día para mí, hay una emoción en este momento», dicho Meziani. «¿Podríamos encontrar una manera de confirmar lo que estamos viendo? ¿Se mantendrá esta nueva imagen?»
«Pero para mí, es muy, muy emocionante. Porque si pienso en un protón ahora, ahora tenemos más información sobre él que nunca antes».
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.
