Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos conocidos del universo, resistir presiones tan grandes que una cucharadita del material de una estrella equivaldría a unas 15 veces el peso de la luna. Sin embargo, resulta que los protones, las partículas fundamentales que componen la mayor parte de la materia visible del universo, contienen presiones aún mayores.

Por primera vez, Los físicos del MIT han calculado la distribución de presión de un protón, y descubrió que la partícula contiene un núcleo altamente presurizado que, en su punto más intenso, está generando presiones mayores que las que se encuentran dentro de una estrella de neutrones.

Este núcleo sale del centro del protón, mientras que la región circundante empuja hacia adentro. (Imagínese una pelota de béisbol que intenta expandirse dentro de una pelota de fútbol que se derrumba). Las presiones en competencia actúan para estabilizar la estructura general del protón.

Los resultados de los físicos, publicado hoy en Cartas de revisión física , representan la primera vez que los científicos han calculado la distribución de presión de un protón teniendo en cuenta las contribuciones de los quarks y gluones, fundamental del protón, constituyentes subnucleares.

"La presión es un aspecto fundamental del protón del que sabemos muy poco en este momento, "dice la autora principal Phiala Shanahan, profesor asistente de física en el MIT. "Ahora hemos descubierto que los quarks y gluones en el centro del protón están generando una presión hacia afuera significativa, y más allá de los bordes, hay una presión restrictiva. Con este resultado, estamos conduciendo hacia una imagen completa de la estructura del protón ".

Shanahan llevó a cabo el estudio con el coautor William Detmold, profesor asociado de física en el MIT.

Quarks notables

En mayo de 2018, Los físicos de la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. anunciaron que habían medido la distribución de presión del protón por primera vez. usando un haz de electrones que dispararon a un objetivo hecho de hidrógeno. Los electrones interactuaron con los quarks dentro de los protones en el objetivo. Luego, los físicos determinaron la distribución de presión a lo largo del protón, basado en la forma en que los electrones se dispersaron del objetivo. Sus resultados mostraron un centro de alta presión en el protón que en su punto de mayor presión medía alrededor de 10 ³⁵ pascales, o 10 veces la presión dentro de una estrella de neutrones.

Sin embargo, Shanahan dice que su imagen de la presión del protón estaba incompleta.

"Encontraron un resultado bastante notable, ", Dice Shanahan." Pero ese resultado estuvo sujeto a una serie de suposiciones importantes que eran necesarias debido a nuestra comprensión incompleta ".

Específicamente, los investigadores basaron sus estimaciones de presión en las interacciones de los quarks de un protón, pero no sus gluones. Los protones constan de quarks y gluones, que interactúan continuamente de forma dinámica y fluctuante dentro del protón. El equipo de Jefferson Lab solo pudo determinar las contribuciones de los quarks con su detector, lo que, según Shanahan, omite una gran parte de la contribución de presión de un protón.

"Durante los últimos 60 años, hemos logrado una comprensión bastante buena del papel de los quarks en la estructura del protón, ", dice." Pero la estructura de gluones está lejos, mucho más difícil de entender, ya que es notoriamente difícil de medir o calcular ".

Un cambio de gluones

En lugar de medir la presión de un protón usando aceleradores de partículas, Shanahan y Detmold buscaron incluir el papel de los gluones mediante el uso de supercomputadoras para calcular las interacciones entre quarks y gluones que contribuyen a la presión de un protón.

"Dentro de un protón, hay un vacío cuántico burbujeante de pares de quarks y antiquarks, así como gluones, apareciendo y desapareciendo, "Dice Shanahan." Nuestros cálculos incluyen todas estas fluctuaciones dinámicas ".

Para hacer esto, el equipo empleó una técnica en física conocida como celosía QCD, para la cromodinámica cuántica, que es un conjunto de ecuaciones que describe la fuerza fuerte, una de las tres fuerzas fundamentales del modelo estándar de física de partículas. (Las otras dos son la fuerza débil y electromagnética). La fuerza fuerte es lo que une a los quarks y gluones para, en última instancia, producir un protón.

Los cálculos de Lattice QCD utilizan una cuadrícula de cuatro dimensiones, o celosía, de puntos para representar las tres dimensiones del espacio y una del tiempo. Los investigadores calcularon la presión dentro del protón utilizando las ecuaciones de la cromodinámica cuántica definidas en la red.

"Es muy exigente desde el punto de vista informático, por lo que utilizamos las supercomputadoras más potentes del mundo para realizar estos cálculos, "Explica Shanahan.

El equipo pasó unos 18 meses ejecutando varias configuraciones de quarks y gluones a través de varias supercomputadoras diferentes, luego determinó la presión promedio en cada punto desde el centro del protón, hasta el borde.

En comparación con los resultados de Jefferson Lab, Shanahan y Detmold descubrieron que, al incluir la contribución de gluones, la distribución de la presión en el protón cambió significativamente.

"Hemos analizado la contribución del gluón a la distribución de la presión por primera vez, y realmente podemos ver que, en relación con los resultados anteriores, el pico se ha vuelto más fuerte, y la distribución de la presión se extiende más lejos del centro del protón, "Dice Shanahan.

En otras palabras, parece que la presión más alta en el protón es de alrededor de 10 ³⁵ pascales, o 10 veces más que una estrella de neutrones, similar a lo que informaron los investigadores de Jefferson Lab. La región de baja presión circundante se extiende más allá de lo estimado previamente.

Confirmar estos nuevos cálculos requerirá detectores mucho más potentes, como el colisionador de iones de electrones, un acelerador de partículas propuesto que los físicos pretenden utilizar para sondear las estructuras internas de protones y neutrones, con más detalle que nunca, incluidos los gluones.

"Estamos en los primeros días de comprender cuantitativamente el papel de los gluones en un protón, ", Dice Shanahan." Combinando la contribución de los quarks medida experimentalmente, con nuestro nuevo cálculo de la pieza de gluones, tenemos la primera imagen completa de la presión del protón, que es una predicción que se puede probar en el nuevo colisionador en los próximos 10 años ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.