Los científicos han desarrollado una teoría innovadora para calcular lo que sucede dentro de un protón que viaja a la velocidad de la luz.

Por más de 2, 000 años, los científicos pensaban que el átomo era la partícula más pequeña posible. Luego, descubrieron que tiene un núcleo formado por protones y neutrones rodeado de electrones. Después, descubrieron que los propios protones y neutrones tienen un mundo interior complejo lleno de quarks y antiquarks unidos por una fuerza parecida a un pegamento creado por gluones.

"Los protones junto con los neutrones constituyen más del 99 por ciento del universo visible, es decir, todo, desde galaxias y estrellas hasta nosotros, "dijo Yong Zhao, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Todavía, todavía hay mucho que desconocemos sobre la rica vida interior de los protones o neutrones ".

Zhao es coautor de un artículo sobre un método innovador para calcular la estructura de quarks y gluones de un protón que viaja a la velocidad de la luz. El nombre de la creación del equipo es teoría efectiva de gran impulso, LaMET para abreviar, que trabaja en conjunto con una teoría llamada cromodinámica cuántica de celosía (QCD).

El protón es diminuto, alrededor de 100, 000 veces más pequeño que un átomo, por lo que los físicos a menudo lo modelan como un punto sin dimensiones. Pero estas nuevas teorías pueden predecir lo que está sucediendo dentro del protón de la velocidad de la luz como si fuera un cuerpo de tres dimensiones.

El concepto de impulso es vital no solo para LaMET sino también para la física en general. Es igual a la velocidad de un objeto multiplicada por su masa.

Hace más de medio siglo, Zhao explicó, un modelo de quark simple de los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig descubrió parte de la estructura interna del protón mientras estaba en reposo (sin impulso). De ese modelo, Los científicos imaginaron que el protón constaba de tres quarks y predijeron sus propiedades esenciales, como carga eléctrica y centrifugado.

Experimentos posteriores con protones acelerados hasta cerca de la velocidad de la luz demostraron que el protón es incluso más complejo de lo que se pensaba originalmente. Por ejemplo, contiene innumerables partículas que interactúan entre sí, no solo tres quarks unidos por gluones. Y los gluones pueden convertirse brevemente en pares quark-antiquark antes de que se destruyan entre sí y se conviertan de nuevo en gluones. Aceleradores de partículas como el del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del DOE produjeron la mayoría de estos resultados.

"Cuando acelera el protón y lo choca con un objetivo, Ahí es cuando ocurre la magia en términos de revelar sus muchos misterios, "Dijo Zhao.

Aproximadamente cinco años después de que el modelo de quark simple sacudiera a la comunidad de la física, un modelo propuesto por Richard Feynman representaba al protón viajando a una velocidad cercana a la de la luz como un rayo que transportaba un número infinito de quarks y gluones moviéndose en la misma dirección. Llamó a estas partículas "partones". Su modelo de partón ha inspirado a los físicos a definir un conjunto de cantidades que describen la estructura de protones 3D. Luego, los investigadores podrían medir estas cantidades en experimentos con aceleradores de partículas.

Los cálculos anteriores con la mejor teoría disponible en ese momento (celosía QCD) produjeron algunos detalles esclarecedores sobre la distribución de quarks y gluones en el protón. Pero tenían un grave defecto:no podían distinguir con precisión entre partones de movimiento rápido y lento.

La dificultad radicaba en que la red QCD solo podía calcular las propiedades del protón que no dependen de su momento. Pero aplicar el modelo de partón de Feynman a la red QCD requiere conocer las propiedades de un protón con impulso infinito, lo que significa que todas las partículas de protones deben viajar a la velocidad de la luz. Llenar parcialmente ese vacío de conocimiento, LaMET proporciona una receta para calcular la física del partón a partir de la celosía QCD para un impulso grande pero finito.

"Hemos estado desarrollando y refinando LaMET durante los últimos ocho años, ", dijo Zhao." Nuestro artículo resume este trabajo ".

Funcionando en supercomputadoras, Los cálculos de celosía QCD con LaMET están generando predicciones nuevas y mejoradas sobre la estructura del protón de la velocidad de la luz. Estas predicciones se pueden poner a prueba en una nueva instalación única llamada Electron-Ion Collider (EIC). Esta instalación se está construyendo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.

"Nuestro LaMET también puede predecir información útil sobre cantidades que son extraordinariamente difíciles de medir, ", dijo Zhao." Y con supercomputadoras lo suficientemente potentes, en algunos casos, nuestras predicciones podrían ser incluso más precisas de lo que es posible medir en el EIC ".

Con una comprensión más profunda de la estructura de la materia de quark-gluones 3D mediante la teoría y las mediciones de EIC, los científicos están preparados para llegar a una imagen mucho más detallada del protón. Entonces entraremos en una nueva era de la física parton.

Esta investigación fue publicada en Reseñas de Física moderna en un artículo titulado "Teoría efectiva de gran momento". Además de Zhao, los autores incluyen Xiangdong Ji (Universidad de Maryland), Yizhuang Liu (Universidad Jagellónica), Yu-Sheng Liu (Universidad Jiao Tong de Shanghai) y Jian-Hui Zhang (Universidad Normal de Beijing).