Un misterio sobre la estructura de los protones está un paso más cerca de resolverse, gracias a un experimento de siete años dirigido por investigadores del MIT.

Durante muchos años, los investigadores han investigado la estructura de los protones —partículas subatómicas con carga positiva— bombardeándolos con electrones y examinando la intensidad de los electrones dispersos en diferentes ángulos.

De esta forma han intentado determinar cómo se distribuyen la carga eléctrica y la magnetización del protón. Estos experimentos habían llevado previamente a los investigadores a asumir que las distribuciones de carga eléctrica y magnética son las mismas, y ese fotón, una partícula elemental de luz, se intercambia cuando los protones interactúan con los electrones que bombardean.

Sin embargo, a principios de la década de 2000, los investigadores comenzaron a realizar experimentos utilizando haces de electrones polarizados, que miden la dispersión elástica electrón-protón utilizando el giro de los protones y electrones. Estos experimentos revelaron que la relación entre las distribuciones de carga eléctrica y magnética disminuyó drásticamente con las interacciones de mayor energía entre los electrones y los protones.

Esto llevó a la teoría de que a veces no se intercambiaban uno, sino dos fotones durante la interacción, causando la distribución desigual de la carga. Y lo que es más, la teoría predijo que ambas partículas serían las llamadas "duras, "o fotones de alta energía.

En un intento por identificar este "intercambio de dos fotones, "un equipo internacional dirigido por investigadores del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT llevó a cabo un experimento de siete años, conocido como OLYMPUS, en el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Hamburgo.

En un artículo publicado esta semana en la revista Cartas de revisión física , los investigadores revelan los resultados de este experimento, lo que indica que dos fotones se intercambian efectivamente durante las interacciones electrón-protón.

Sin embargo, a diferencia de las predicciones teóricas, El análisis de las mediciones de OLYMPUS sugiere que, la mayor parte del tiempo solo uno de los fotones tiene alta energía, mientras que el otro debe llevar muy poca energía, según Richard Milner, profesor de física y miembro del Grupo de Física Hadrónica del Laboratorio de Ciencias Nucleares, quien dirigió el experimento.

"Vimos poca o ninguna evidencia de un intercambio duro de dos fotones, "Dice Milner.

Habiendo propuesto la idea del experimento a finales de la década de 2000, el grupo recibió financiación en 2010.

Los investigadores tuvieron que desmontar el antiguo espectrómetro BLAST, un detector complejo de 125 metros cúbicos del MIT, y transportarlo a Alemania. donde fue reensamblado con algunas mejoras. Luego llevaron a cabo el experimento durante tres meses en 2012, antes de que el acelerador de partículas del laboratorio fuera desmantelado y cerrado a finales de ese año.

El experimento, que se llevó a cabo al mismo tiempo que otros dos en los EE. UU. y Rusia, implicaba bombardear los protones con electrones cargados negativamente y positrones cargados positivamente, y comparar la diferencia entre las dos interacciones, según Douglas Hasell, científico investigador principal del Laboratorio de Ciencias Nucleares y del Grupo de Física Hadrónica del MIT, y otro de los autores del artículo.

El proceso producirá una medición sutilmente diferente dependiendo de si los protones están dispersos por electrones o positrones, Dice Hasell. "Si ve una diferencia (en las medidas), indicaría que hay un efecto de dos fotones que es significativo ".

Las colisiones duraron tres meses, y los datos resultantes tardaron otros tres años en analizarse, Dice Hasell.

La diferencia entre los resultados teóricos y experimentales significa que es posible que sea necesario realizar más experimentos en el futuro, a energías aún más altas donde se espera que el efecto de intercambio de dos fotones sea mayor, Dice Hasell.

Puede resultar difícil lograr el mismo nivel de precisión alcanzado en el experimento OLYMPUS, sin embargo.

"Realizamos el experimento durante tres meses y producimos mediciones muy precisas, ", dice." Tendría que correr durante años para obtener el mismo nivel de precisión, a menos que se pueda mejorar el rendimiento (del experimento) ".

En el futuro inmediato, los investigadores planean ver cómo responde la comunidad de física teórica a los datos, antes de decidir su siguiente paso, Dice Hasell.

"Puede ser que puedan hacer un pequeño ajuste a un detalle dentro de sus modelos teóricos para que todo esté de acuerdo, y explicar los datos a energías más altas y más bajas, " él dice.

"Entonces dependerá de los experimentadores comprobar si ese es el caso".