Gluones, las partículas en forma de pegamento que normalmente se unen a los quarks subatómicos dentro de los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, parecen jugar un papel importante en el establecimiento de propiedades clave de la materia. Pero ahora mismo, nadie puede ver cómo se distribuyen los gluones dentro de protones y núcleos individuales. Experimentos recientes en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) sugieren que la disposición de estas partículas dentro de un protón fluctúa fuertemente. Esto significa que mientras, de media, un protón es casi esférico, si tomáramos instantáneas de un protón en el tiempo, cada uno de ellos se vería dramáticamente diferente. Los teóricos nucleares de Brookhaven han desarrollado un modelo de fluctuaciones de gluones que es consistente con mediciones anteriores. El modelo les permite interpretar los nuevos datos de los experimentos de colisión nuclear como instantáneas de cómo se ve realmente un protón en un momento dado.

Los físicos nucleares quieren estudiar las propiedades de la materia nuclear en el núcleo y cómo cambian las colisiones de alta energía. Para hacer esto, miden los patrones de partículas que salen volando de las colisiones de protones con núcleos pesados ​​en colisionadores de partículas. Estos colisionadores incluyen el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio CERN de Europa. Para comprender más sobre la materia nuclear, necesitan saber cómo era el protón cuando ocurrió la colisión. En experimentos en estas instalaciones, donde las partículas se aceleran a altas energías, los gluones son partículas virtuales que se dividen y recombinan continuamente, esencialmente parpadeando dentro y fuera de la existencia como la luz de las luciérnagas parpadeando en el cielo nocturno. Debido a que los científicos no pueden ver este parpadeo directamente, necesitan un modelo que describa con precisión el comportamiento fluctuante. Comprender el parpadeo permite a los físicos interpretar los resultados de estos experimentos para comprender mejor la estructura interna de los protones y explicar mejor nuestro mundo.

Los resultados experimentales del RHIC y el LHC sugieren que los protones son mucho más complejos que una simple disposición de tres quarks unidos por gluones. Comprender cómo interactúan los protones cuando chocan con núcleos más grandes requiere conocer la geometría del protón justo antes de la colisión, ya sea redondo o más irregular, por ejemplo. Explorar la estructura interna del protón es también un esfuerzo de investigación fundamental para los físicos nucleares.

Si bien los científicos saben qué tan grande es la densidad promedio de gluones dentro de un protón, no saben exactamente dónde se encuentran los gluones dentro de la partícula más grande o qué tan grandes pueden ser las fluctuaciones en la forma y distribución de los gluones. Sin la capacidad de ver el interior del protón, los científicos desarrollaron un modelo matemático para representar una variedad de arreglos de gluones. Luego, los científicos probaron el modelo comparando sus predicciones con datos experimentales de un acelerador en Alemania. Descubrieron que incluir un alto grado de fluctuaciones de gluones en su modelo se ajusta mejor a los datos. Los científicos ahora buscan aplicar este conocimiento a las colisiones protón-núcleo en RHIC y el LHC. Si este modelo puede describir con éxito estos experimentos, Los científicos podrán utilizar algunos observables clave de los experimentos como medidas de la forma del protón en el momento de la colisión.