Dentro de cada protón en cada átomo del universo hay un ambiente de olla a presión que sobrepasa el corazón aplastante de átomos de una estrella de neutrones. Eso es de acuerdo con la primera medición de una propiedad mecánica de partículas subatómicas, la distribución de la presión dentro del protón, que fue llevado a cabo por científicos en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía.

Los físicos nucleares encontraron que los bloques de construcción del protón, los quarks, están sujetos a una presión de 100 decillones de Pascal (10 ³⁵ ) cerca del centro de un protón, que es aproximadamente 10 veces mayor que la presión en el corazón de una estrella de neutrones. El resultado fue publicado recientemente en la revista Naturaleza .

"Encontramos una presión extremadamente alta dirigida hacia afuera desde el centro del protón, y una presión dirigida hacia adentro mucho más baja y más extendida cerca de la periferia del protón, "explica Volker Burkert, Líder de Jefferson Lab Hall B y coautor del artículo.

Burkert dice que la distribución de la presión dentro del protón está dictada por la fuerza fuerte, la fuerza que une a tres quarks para formar un protón.

"Nuestros resultados también arrojan luz sobre la distribución de la fuerza fuerte dentro del protón, ", dijo." Estamos proporcionando una forma de visualizar la magnitud y distribución de la fuerza fuerte dentro del protón. Esto abre una dirección completamente nueva en la física nuclear y de partículas que se puede explorar en el futuro ".

Una vez que se pensó que era imposible de obtener, esta medición es el resultado de un emparejamiento inteligente de dos marcos teóricos con datos existentes.

Primero, existen las distribuciones de parton generalizadas. Los GPD permiten a los investigadores producir una imagen tridimensional de la estructura del protón probada por la fuerza electromagnética. El segundo son los factores de forma gravitacionales del protón. Estos factores de forma describen cuál sería la estructura mecánica del protón si los investigadores pudieran sondear el protón a través de la fuerza gravitacional.

El teórico que desarrolló el concepto de factores de forma gravitacionales en 1966, Heinz Pagels, famoso en el artículo que los detalla que había "muy pocas esperanzas de aprender algo sobre la estructura mecánica detallada de una partícula, debido a la extrema debilidad de la interacción gravitacional ".

Trabajo teórico reciente, sin embargo, ha conectado GPD a los factores de forma gravitacionales, permitiendo que los resultados de las sondas electromagnéticas de protones sustituyan a las sondas gravitacionales.

"Esta es la belleza. Tienes este mapa que crees que nunca obtendrás, "dijo Latifa Elouadrhiri, un científico del personal de Jefferson Lab y coautor del artículo. "Pero aquí estamos, llenándolo con esta sonda electromagnética ".

La sonda electromagnética consta de haces de electrones producidos por la instalación del acelerador de haz de electrones continuo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Estos electrones se dirigen al núcleo de los átomos, donde interactúan electromagnéticamente con los quarks dentro de los protones a través de un proceso llamado dispersión de Compton profundamente virtual.

En el proceso DVCS, un electrón entra en un protón e intercambia un fotón virtual con un quark, transfiriendo energía al quark y al protón. Un corto tiempo después, el protón libera esta energía emitiendo otro fotón y continúa intacto. Este proceso es análogo a los cálculos que realizó Pagels sobre cómo sería posible sondear el protón gravitacionalmente a través de un hipotético haz de gravitones. Los investigadores de Jefferson Lab pudieron explotar una similitud entre los conocidos estudios electromagnéticos y gravitacionales hipotéticos para obtener su resultado.

"Hay un fotón entrando y saliendo un fotón. Y el par de fotones son ambos spin-1. Eso nos da la misma información que intercambiar una partícula de gravitón con spin-2, "dice Francois-Xavier Girod, un científico del personal de Jefferson Lab y coautor del artículo. "Y ahora, básicamente se puede hacer lo mismo que hemos hecho en los procesos electromagnéticos, pero en relación con los factores de forma gravitacionales, que representan la estructura mecánica del protón ".

Los investigadores dicen que el siguiente paso es aplicar la técnica a datos aún más precisos que estarán disponibles pronto para reducir las incertidumbres en el análisis actual y comenzar a trabajar para revelar otras propiedades mecánicas del protón ubicuo. como las fuerzas de corte internas y el radio mecánico del protón.