La asimetría en el protón confunde a los físicos, pero un nuevo descubrimiento puede traer de vuelta viejas teorías para explicarlo.

Simetría:se muestra en áreas que van desde las matemáticas y el arte, para los organismos vivos y las galaxias, es una estructura subyacente importante en la naturaleza. Caracteriza nuestro universo y permite su estudio y comprensión.

Debido a que la simetría es un tema tan omnipresente en la naturaleza, Los físicos están especialmente intrigados cuando un objeto parece que debería ser simétrico, pero no lo es. Cuando los científicos se enfrentan a estas simetrías rotas, es como si hubieran encontrado un objeto con un extraño reflejo en el espejo.

El protón, una partícula cargada positivamente que existe en el centro de cada átomo, muestra asimetría en su composición. Los físicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y sus colaboradores investigaron recientemente las complejidades de esta simetría rota conocida a través de un experimento realizado en el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE. Los resultados del experimento podrían cambiar la investigación del protón al revivir teorías previamente descartadas sobre su funcionamiento interno.

El resultado de este experimento contradice la conclusión de un estudio de finales de los 90, también realizado en Fermilab. Los científicos ahora pueden revisar las teorías para describir la asimetría en el protón que fueron descartadas por el antiguo experimento.

Comprender las propiedades del protón ayuda a los físicos a responder algunas de las preguntas más fundamentales de toda la ciencia. y al investigar el mundo al nivel más pequeño, Los científicos están avanzando en la tecnología que usamos todos los días. Los estudios del protón han llevado al desarrollo de la terapia de protones para el tratamiento del cáncer. medición de la radiación de protones durante los viajes espaciales e incluso comprensión de la formación de estrellas y el universo temprano.

"Pudimos observar la dinámica desconcertante dentro del protón, "dijo el físico de Argonne Don Geesaman, "ya través de este experimento, la naturaleza está abriendo el camino para que los conceptos en modelos más antiguos del protón obtengan una segunda mirada ".

Materia no coincidente

Así como las formas pueden tener simetría, las partículas pueden, también. Un círculo perfecto consta de dos semicírculos del mismo tamaño enfrentados en direcciones opuestas, y cada tipo de partícula del universo tiene una antipartícula de la misma masa con carga eléctrica opuesta.

Los bloques de construcción del protón incluyen partículas llamadas quarks, y sus antipartículas, llamados antiquarks. Vienen en "sabores", como arriba, abajo, anti-up y anti-down. Los quarks y antiquarks están unidos dentro del protón por una fuerte fuerza nuclear. La fuerza de esta fuerza puede sacar pares de quarks y antiquarks de la nada, y estos pares existen por un corto tiempo antes de aniquilarse entre sí. Este "mar" de quarks y antiquarks que entran y salen de la existencia está siempre presente dentro del protón.

Curiosamente, en cualquier momento dado, hay tres quarks más que antiquarks:dos quarks up más que quarks anti-up, y un quark down más que quarks anti-down. En otras palabras, estos quarks no coincidentes no tienen contrapartes de antimateria. Esta asimetría es la razón por la que los protones están cargados positivamente, permitiendo que los átomos, y por lo tanto toda la materia, existan.

"Todavía tenemos una comprensión incompleta de los quarks en un protón y cómo dan lugar a las propiedades del protón, "dijo Paul Reimer, un físico de Argonne en el estudio. "La naturaleza fugaz de los pares quark-antiquark hace que su presencia en los protones sea difícil de estudiar, pero en este experimento, detectamos las aniquilaciones de los antiquarks, lo que nos dio una idea de la asimetría ".

El experimento determinó que siempre hay más quarks anti-down en el protón que quarks anti-up, sin importar el impulso de los quarks. La importancia de este resultado es su contradicción con la conclusión del experimento Fermilab a finales de los 90, lo que sugirió que en momentos de alta velocidad, la asimetría del protón se invierte, lo que significa que los quarks anti-up comienzan a dominar los quarks anti-down.

"Diseñamos el nuevo experimento para observar estos altos impulsos y determinar si este cambio realmente ocurre, ", dijo Reimer." Demostramos que hay una asimetría suave sin cambio de relación entre quarks anti-up y anti-down ".

Reconstruyendo la aniquilación

Para sondear los quarks y antiquarks en el protón, los científicos dispararon haces de protones a los objetivos y estudiaron las secuelas de las colisiones de partículas. Específicamente, estudiaron lo que sucede después de que un protón del rayo golpea a un protón en el objetivo.

Cuando los protones chocan, los quarks y antiquarks de los protones se aniquilan entre sí. Luego, dos nuevas partículas fundamentales llamadas muones salen de la aniquilación, actuando como la firma de la interacción. De estas interacciones, los científicos determinaron la proporción de quarks anti-up a quarks anti-down en un rango de momentos altos.

"Elegimos medir los muones porque pueden atravesar el material mejor que la mayoría de los otros fragmentos de colisión, "dijo Reimer. Entre los objetivos y sus dispositivos de medición, El equipo colocó una pared de hierro de cinco metros de espesor para evitar que otras partículas pasaran y nublaran sus señales.

Cuando los muones golpean los dispositivos de medición al final de su viaje, los científicos reconstruyeron las aniquilaciones de quark-antiquark a partir de las mediciones, permitiéndoles confirmar la suavidad, Proporción constante de quarks anti-up a quarks anti-down.

Una segunda mirada

"Lo que pensamos que vimos en el experimento anterior no es lo que sucede, "dijo Geesaman, que formó parte de los estudios actuales y anteriores. "Por qué, ¿aunque? Ese es el siguiente paso ".

Las teorías que fueron rechazadas después de que contradecían los resultados del experimento anterior ahora dan una gran descripción de los nuevos datos, y los científicos pueden revisarlos con mayor confianza gracias a este experimento. Estas teorías informarán otros experimentos sobre la asimetría en el protón y otras partículas, contribuyendo a nuestra comprensión de la teoría que rodea a los quarks.

Las pistas sobre la naturaleza de los quarks en el protón conducen en última instancia a una mejor comprensión del núcleo atómico. Comprender el núcleo puede desmitificar las propiedades del átomo y cómo reaccionan los diferentes elementos químicos entre sí. La investigación de protones toca campos como la química, astronomía, cosmología y biología, conduciendo a avances en la medicina, ciencia de materiales y más.

"Necesitas experimentar para liderar el pensamiento y restringir la teoría, y aquí, buscábamos que la naturaleza nos diera una idea de la dinámica del protón, ", dijo Geesaman." Es un ciclo entrelazado de experimento y teoría que conduce a una investigación impactante ".

Un artículo sobre el estudio, "La asimetría de la antimateria en el protón", fue publicado en Naturaleza el 24 de febrero.