Mientras que los protones pueblan el núcleo de cada átomo del universo, a veces se pueden comprimir en un tamaño más pequeño y deslizarse fuera del núcleo para jugar por su cuenta. La observación de estos protones comprimidos puede ofrecer una visión única de las partículas que construyen nuestro universo.

Ahora, investigadores que buscan estos protones comprimidos en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. han llegado con las manos vacías, sugiriendo que hay más en el fenómeno de lo que se pensaba. El resultado fue publicado recientemente en Cartas de revisión física .

"Estábamos buscando exprimir el protón de manera que sus quarks tuvieran una configuración de tamaño pequeño. Y eso es algo bastante difícil de hacer, "dijo Holly Szumila-Vance, un científico del personal de Jefferson Lab.

Los protones están formados por tres quarks unidos por la fuerza fuerte. En un protón ordinario, la fuerza fuerte es tan fuerte que se filtra, haciendo que el protón se adhiera a otros protones y neutrones a su alrededor en el núcleo. Eso es según la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que describe cómo interactúan los quarks y la fuerza fuerte. En QCD, la fuerza fuerte también se conoce como la fuerza del color.

Sin embargo, QCD también predice que el protón puede exprimirse de manera que los quarks se unan más estrechamente, esencialmente envolviéndose con tanta fuerza en la fuerza del color que ya no se escapa del protón. Cuando eso pasa, el protón ya no se adhiere a otras partículas y puede moverse libremente a través del núcleo. Este fenómeno se denomina "transparencia de color, "ya que el protón se ha vuelto invisible a la fuerza del color de las partículas que lo rodean.

"Es una predicción fundamental de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe estas partículas, "Szumila-Vance explicó.

Un experimento anterior mostró transparencia de color en partículas más simples hechas de quarks llamados piones. Donde los protones tienen tres quarks, los piones tienen solo dos. Además, Otro experimento realizado con protones también había sugerido que los protones también pueden exhibir transparencia de color en energías que están al alcance de las instalaciones recientemente mejoradas en Jefferson Lab.

"Esperábamos encontrar los protones comprimidos como los piones, "dijo Dipangkar Dutta, profesor de la Universidad Estatal de Mississippi y portavoz del experimento. "Pero fuimos a energías cada vez más elevadas y todavía no las encontramos".

El experimento fue uno de los primeros en ejecutarse en la instalación del acelerador de haz de electrones continuo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, tras su actualización de 12 GeV. En el experimento, los físicos nucleares dirigieron electrones de alta energía del CEBAF al núcleo de los átomos de carbono. Luego midieron los electrones salientes y cualquier protón que saliera.

"Fue un experimento emocionante del que formar parte. Fue el primer experimento que se llevó a cabo en la Sala Experimental C después de que actualizamos la sala para que funcionara a 12 GeV, ", dijo Szumila-Vance." Estos fueron los protones de mayor impulso medidos en el Laboratorio Jefferson, y los protones de mayor cantidad de movimiento jamás producidos por dispersión de electrones ".

"En las energías que estamos investigando, el protón suele estar diezmado, y estás mirando los restos del protón, Dutta explicó. Pero en nuestro caso, queremos que el protón siga siendo un protón, y la única forma en que eso puede suceder es si los quarks se aprietan, abrazarse mucho más fuerte para que puedan escapar juntos del núcleo ".

Mientras que los físicos nucleares observaron varios miles de protones en el experimento, no encontraron los signos reveladores de la transparencia del color en los nuevos datos.

"Creo que esto nos dice que el protón es más complicado de lo que esperábamos, ", dijo Szumila-Vance." Esta es una predicción fundamental de la teoría. Sabemos que tiene que existir a una alta energía, pero todavía no sé dónde sucederá ".

Los investigadores dijeron que el siguiente paso es comprender mejor el fenómeno en partículas más simples donde ya se ha observado. para que se puedan hacer predicciones mejoradas para partículas más complejas, como los protones.