Calcular el giro de un protón solía ser una tarea universitaria fácil. De hecho, Carl Gagliardi recuerda haber respondido a esa pregunta cuando era un estudiante de posgrado en física en la década de 1970. Pero la verdadera respuesta resultó no ser sencilla en absoluto. Incluso la respuesta "correcta" de Gagliardi fue refutada por experimentos unos años más tarde que pusieron el campo patas arriba.

Los protones son una de las tres partículas que forman los átomos, los bloques de construcción del universo. El giro de un protón es una de sus propiedades más básicas. Debido a que los protones están compuestos en parte por quarks, Los científicos supusieron que los giros de los protones eran solo la suma de los giros de los quarks.

Pero los estudios realizados en la década de 1980 mostraron que la realidad es mucho más compleja. Desde entonces, Gagliardi y otros investigadores han utilizado las instalaciones exclusivas para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en las Instalaciones del Acelerador Nacional Thomas Jefferson (Laboratorio Jefferson) y el Laboratorio Nacional Brookhaven para explorar este fenómeno fundamental.

Investigando una fuerza de la naturaleza

Los protones siempre tienen "giro". La dirección y la fuerza del giro de un protón determina sus propiedades magnéticas y eléctricas. Los cambios en el giro del protón también alteran su estructura.

"Al comprender cómo [los componentes de un protón] se relacionan entre sí para producir espín, podemos aprender cómo la madre naturaleza construye un protón, "dijo Gagliardi, ahora investigador del Cyclotron Institute en Texas A&M. Colabora en el trabajo en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island, Nueva York.

Tener una mejor comprensión del giro y la estructura de los protones podría generar beneficios inesperados. Así como los descubrimientos de James Clerk Maxwell sobre el electromagnetismo en la década de 1860 sentaron las bases de la electrónica actual, algunos científicos creen que comprender el giro de los protones podría conducir a avances similares.

"[Las ecuaciones de Maxwell] fueron el dominio de la humanidad sobre una fuerza fundamental de la naturaleza, electromagnetismo, "dijo John Lajoie, un investigador del estado de Iowa que trabaja en RHIC. "Lo que estamos tratando de hacer es obtener una comprensión fundamental de la fuerza que une los quarks al protón".

Hallazgos inesperados

"Estudiar el giro en física nos ha llevado a muchas sorpresas, "dijo Elke-Caroline Aschenauer, quien dirige el grupo de investigación de Brookhaven centrado en el giro de protones. Pero la naturaleza no ha revelado sus secretos fácilmente.

Los investigadores pensaron por primera vez que cada protón constaba en su totalidad de solo tres quarks, que juntos determinaron el giro. Los quarks son partículas elementales que los científicos no han podido descomponer en partes más pequeñas.

Pero cuanto más se miraban, cuanto más compleja se volvía la imagen. El experimento inicial de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) sugirió que los espines de los quarks no contribuían casi en nada al espín del protón. Desde entonces, experimentos más precisos han elevado la contribución del giro de los quarks entre un 25 y un 30 por ciento. Eso deja mucho sin explicar.

En lugar de decepcionarse, muchos físicos estaban encantados.

"Vivo para equivocarme, "dijo Lajoie." Ahí es donde aprendemos ".

Golpeando partículas juntas

Para investigar protones y otras partículas subatómicas, los científicos usan aceleradores para chocarlos a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

"Los físicos de partículas no han evolucionado mucho más allá de los días de los hombres de las cavernas en términos de golpear dos rocas juntas, "bromeó Lajoie.

Los aceleradores de Brookhaven y Jefferson Labs tienen la capacidad única de polarizar corrientes de partículas. Esto significa que coordinan los giros de las partículas para que estén alineadas en la misma dirección.

En la instalación del acelerador de haz de electrones continuo (CEBAF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el laboratorio Jefferson en Newport News, Virginia, la máquina dispara un haz polarizado de electrones hacia un objetivo estacionario. El objetivo también está polarizado. La colisión del haz de electrones con los protones o neutrones en el objetivo brinda a los científicos una idea particularmente buena de las contribuciones de los quarks al espín. Cuando el rayo golpea el objetivo, las partículas se dispersan en diferentes ángulos. Luego, un espectrómetro de electrones identifica qué tipos y cuántas partículas resultaron del experimento.

RHIC en Brookhaven envía dos haces de protones a través de un túnel de cuatro millas de largo. Cuando chocan las partículas se desgarran y se reagrupan inmediatamente. Atacan dos detectores del tamaño de una casa que recopilan datos en su dirección, impulso, y energía.

"Es un logro asombroso de la humanidad, "dijo Ernst Sichtermann, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y portavoz adjunto de uno de los experimentos del RHIC.

Como la única instalación que puede polarizar y colisionar protones, RHIC es útil para comprender la contribución de los gluones. Los gluones son las partículas que mantienen unidos a los quarks para formar protones y neutrones.

Comparar y contrastar resultados es una parte esencial de la investigación del espín de protones. Ambos laboratorios realizan experimentos que examinan lo que sucede cuando chocas partículas que giran en la misma dirección con las que giran en direcciones opuestas. Para determinar cómo una partícula específica, como un gluón o un quark, contribuye a girar, los investigadores comparan el número y el tipo de partículas que resultan de diferentes configuraciones de los haces y el objetivo.

Uno de los principales desafíos es recopilar y analizar la increíble cantidad de datos. Gran parte del trabajo se centra en recopilar los datos correctos y minimizar errores o sesgos.

"Ahí es donde uno se convierte en un verdadero físico, ", dijo Gagliardi." El noventa y cinco por ciento del tiempo de análisis científico se dedica a identificar, cuantificar y limitar esos sesgos ".

Comprensión de las contribuciones

Usando estas herramientas, Los físicos se dieron cuenta de que la estructura del protón no es nada simple. Es un océano de quarks y gluones cambiantes. Además, los gluones se dividen rápidamente en pares de quarks y anti-quarks de corta duración (conocidos como quarks de mar). Los anti-quarks tienen características similares a los quarks, excepto el cargo opuesto.

Varios experimentos han examinado posibles fuentes de espín.

Un experimento en RHIC descubrió que los giros de los anti-quarks a menudo no están alineados en la misma dirección. Como resultado, es poco probable que contribuyan mucho al giro del protón.

Otro estudio abordó el papel de los gluones. En 2014, Los científicos encontraron datos experimentales que demostraron que los gluones contribuyen significativamente al giro de los protones. De hecho, aportan entre el 20 y el 30 por ciento.

Un experimento de seguimiento se centró en gluones "débiles" con poco impulso. Estudios anteriores habían subestimado la contribución de estos gluones. Pero las colisiones a energías mucho más altas encontraron que, si bien los gluones "débiles" individuales no contribuyen casi nada, la gran cantidad de ellos resulta en bastante influencia.

Hay una fuente importante que los investigadores aún no han explorado:el momento angular orbital. El momento angular orbital proviene del movimiento de los quarks y gluones entre sí. Si bien los teóricos han desarrollado simulaciones que modelan esta contribución, los científicos no han tenido el equipo para probarlos.

Eso cambiará con la apertura de una actualización importante a CEBAF. Duplicar la energía del acelerador y proporcionar una mejor resolución permitirá a los científicos estudiar el momento angular orbital. Los miembros del personal del laboratorio esperan tener el acelerador actualizado en pleno funcionamiento durante el próximo año.

"No hay otro rayo como este en ningún otro lugar del mundo, "dijo Robert McKeown, Director adjunto de investigación de Jefferson Lab.