Cuando un protón choca con un protón, el gluón emitido por uno de los quarks de valencia puede interactuar con un quark virtual del par quark-antiquark dentro del otro protón. Según el modelo GEM, el resultado de tal interacción será un protón rápido con una estructura intacta de quarks de valencia, y otras partículas creadas en procesos que tienen lugar en la región de interacción (delineadas en blanco). Crédito:IFJ PAN / Dual Color
Dentro de cada protón o neutrón hay tres quarks unidos por gluones. Hasta ahora, A menudo se ha asumido que dos de ellos forman un par "estable" conocido como diquark. Parece, sin embargo, que es el final del camino para los diquarks en física. Esta es una de las conclusiones del nuevo modelo de colisiones protón-protón o protón-núcleo, que tiene en cuenta las interacciones de los gluones con el mar de quarks y antiquarks virtuales.
En física, la aparición de un nuevo modelo teórico suele ser un mal augurio para los viejos conceptos. Este también es el caso de la descripción de colisiones de protones con protones o núcleos atómicos, propuesto por científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia. En el último modelo, las interacciones de los gluones emitidos por un protón con el mar de quarks y antiquarks virtuales juegan un papel importante, apareciendo y desapareciendo dentro de otro protón o neutrón.
Los gluones son portadores de la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esto une a los quarks en estructuras compuestas, como protones o neutrones. En muchos aspectos, la fuerza fuerte difiere de las demás. Por ejemplo, no debilita, pero crece con la distancia entre las partículas. Es más, a diferencia de los fotones, Los gluones llevan un tipo específico de carga (pintorescamente conocido como color) y pueden interactuar entre sí.
La mayoría de las reacciones nucleares, incluida la mayor parte de las colisiones de protones con protones o núcleos atómicos, son procesos en los que las partículas solo se "rozan" entre sí mediante el intercambio de gluones. Los físicos llaman "suaves" a las colisiones de este tipo y les causan problemas, ya que la teoría que los describe es incalculable desde los primeros principios. Por lo tanto, por necesidad, todos los modelos actuales de procesos blandos son más o menos fenomenológicos.
"Al principio, solo queríamos ver cómo la herramienta existente, conocido como el modelo de partón dual, maneja datos experimentales más precisos sobre colisiones protón-protón y núcleo protón-carbono, "recuerda el profesor Marek Jezabek (FIP PAN)." Rápidamente resultó que no se estaba adaptando bien. Así que decidimos sobre la base del antiguo modelo que se ha estado desarrollando durante más de cuatro décadas, para intentar crear algo que, por un lado, fuera más preciso, y por el otro, más cercano a la naturaleza de los fenómenos descritos ".
Una de las posibles colisiones de un protón y dos protones / neutrones en un núcleo de carbono, según el modelo GEM. Dos quarks de valencia de un protón intercambian gluones con quarks de valencia en dos protones / neutrones del núcleo de carbono. Los tres quarks del protón entrante ya no son de color neutro. Estos quarks, se muestra en rojo a la derecha, luego debe atrapar otras partículas de la región de interacción (mostrada en blanco), resultando en la producción de partículas secundarias. Crédito:IFJ PAN / Dual Color
El modelo de intercambio de gluones (GEM) construido en IFJ PAN también es fenomenológico. Sin embargo, no se basa en analogías con otros fenómenos físicos, pero directamente sobre la existencia de quarks y gluones y sus propiedades fundamentales. Es más, GEM tiene en cuenta la existencia en protones y neutrones no solo de tripletes de los quarks principales (de valencia), pero también el mar de pares de quarks y antiquarks virtuales que surgen y aniquilan constantemente. Además, tiene en cuenta las limitaciones derivadas del principio de conservación del número bariónico. En términos simplificados, dice que el número de bariones (es decir, protones y neutrones) que existen antes y después de la interacción deben permanecer sin cambios. Como cada quark lleva su propio número de bariones (igual a 1/3), este principio proporciona conclusiones más fiables sobre lo que está sucediendo con los quarks y los gluones intercambiados entre ellos.
"GEM nos ha permitido explorar nuevos escenarios del curso de eventos que involucran protones y neutrones, "dice el Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN)." Imaginemos, por ejemplo, que en el curso de una colisión suave protón-protón, uno de los protones emite un gluón, que golpea al otro protón, no a su quark de valencia, sino un quark del mar virtual que existe por una fracción de momento. Cuando se absorbe tal gluón, el quark sea y el antiquark que forman un par dejan de ser virtuales y se materializan en otras partículas en estados finales específicos. Tenga en cuenta que en este escenario, se forman nuevas partículas a pesar de que los quarks de valencia de uno de los protones han permanecido intactos ".
El modelo de gluones de Cracovia conduce a ideas interesantes, dos de los cuales son particularmente dignos de mención. El primero se refiere al origen de los protones difractivos, observado en colisiones protón-protón. Estos son protones rápidos que salen del lugar de la colisión en pequeños ángulos. Hasta ahora, se creía que no podían producirse mediante procesos de cambio de color y que algún otro mecanismo físico era responsable de su producción. Ahora, resulta que la presencia de protones difractivos puede explicarse por la interacción del gluón emitido por un protón con los quarks marinos de otro protón.
Otra observación también es interesante. La descripción anterior de las colisiones suaves suponía que dos de los tres quarks de valencia de un protón o un neutrón están unidos entre sí de modo que forman una "molécula" llamada diquark. La existencia del diquark era una hipótesis de la que no todos los físicos responderían indiscriminadamente, pero el concepto se usó ampliamente, algo que ahora es probable que cambie. El modelo GEM se enfrentó a datos experimentales que describen una situación en la que un protón choca con un núcleo de carbono e interactúa con dos o más protones / neutrones en el camino. Resultó que para ser coherentes con las mediciones, bajo el nuevo modelo, la desintegración del diquark debe asumirse en al menos la mitad de los casos.
"Por lo tanto, Hay muchos indicios de que el diquark en un protón o neutrón no es un objeto fuertemente ligado. Puede ser que el diquark exista solo efectivamente como una configuración aleatoria de dos quarks que forman un llamado antitriplet de color, y siempre que sea posible, inmediatamente se desintegra, "dice el Dr. Rybicki.
El modelo de Cracovia de intercambio de gluones explica una clase más amplia de fenómenos de una manera más simple y coherente que las herramientas existentes para la descripción de colisiones suaves. Los resultados actuales, presentado en un artículo publicado en Letras de física B , tienen implicaciones interesantes para los fenómenos de aniquilación de materia-antimateria, en el que un antiprotón podría aniquilar en más de un protón / neutrón en el núcleo atómico. Por lo tanto, los autores ya han formulado primero, propuestas preliminares para realizar nuevas mediciones en el CERN con un haz antiprotón.
