Trate de imaginar un protón, la diminuta partícula cargada positivamente dentro de un núcleo atómico, y puede imaginar un diagrama familiar de libro de texto:un conjunto de bolas de billar que representan quarks y gluones. Desde el modelo de esfera sólida propuesto por primera vez por John Dalton en 1803 hasta el modelo cuántico presentado por Erwin Schrödinger en 1926, existe una cronología histórica de físicos que intentan visualizar lo invisible.

Ahora, el profesor de física del MIT Richard Milner, los físicos del Laboratorio Jefferson Rolf Ent y Rik Yoshida, los documentalistas del MIT Chris Boebel y Joe McMaster, y James LaPlante de Sputnik Animation se han unido para representar el mundo subatómico de una nueva manera. Presentado por el MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) y Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" es una animación original del protón, diseñada para su uso en las aulas de secundaria. Ent y Milner presentaron la animación en charlas colaborativas en la reunión de abril de la American Physics Society y también la compartieron en un evento comunitario organizado por MIT Open Space Programming el 20 de abril. Además de la animación, un breve documental sobre el proceso de colaboración está en progreso.

Es un proyecto en el que Milner y Ent han estado pensando desde al menos 2004 cuando Frank Wilczek, el Profesor de Física Herman Feshbach en el MIT, compartió una animación en su Conferencia Nobel sobre cromodinámica cuántica (QCD), una teoría que predice la existencia de gluones. en el protón. "Hay un linaje enormemente fuerte del MIT en el tema", señala Milner, también haciendo referencia al Premio Nobel de Física de 1990, otorgado a Jerome Friedman y Henry Kendall del MIT y Richard Taylor del SLAC National Accelerator Laboratory por su investigación pionera que confirma la existencia de quarks.

Para empezar, los físicos pensaron que la animación sería un medio efectivo para explicar la ciencia detrás del Electron Ion Collider, un nuevo acelerador de partículas de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., que muchos profesores del MIT, incluido Milner, así como colegas como Ent , han defendido durante mucho tiempo. Además, las representaciones fijas del protón son inherentemente limitadas, incapaces de representar el movimiento de los quarks y gluones. "Partes esenciales de la física involucran animación, color, partículas que se aniquilan y desaparecen, mecánica cuántica, relatividad. Es casi imposible transmitir esto sin animación", dice Milner.

En 2017, Milner conoció a Boebel y McMaster, quienes a su vez incorporaron a LaPlante. Milner "tuvo la intuición de que una visualización de su trabajo colectivo sería muy, muy valiosa", recuerda Boebel sobre los inicios del proyecto. Solicitaron una subvención para docentes de CAST y la idea del equipo comenzó a cobrar vida.

"El comité de selección de CAST estaba intrigado por el desafío y lo vio como una oportunidad maravillosa para resaltar el proceso involucrado en la realización de la animación del protón, así como la animación misma", dice Leila Kinney, directora ejecutiva de iniciativas artísticas y de CAST. "Las verdaderas colaboraciones arte-ciencia son más complejas que los proyectos de comunicación científica o visualización científica. Implican reunir modos diferentes e igualmente sofisticados de hacer descubrimientos creativos y decisiones interpretativas. Es importante comprender las posibilidades, limitaciones y elecciones ya integradas en el tecnología visual seleccionada para visualizar el protón. Esperamos que las personas comprendan mejor la interpretación visual como un modo de investigación crítica y producción de conocimiento, así como la física".

Boebel y McMaster filmaron el proceso de creación de tal interpretación visual detrás de escena. "Siempre es un desafío cuando reúnes a personas que son verdaderamente expertos de clase mundial, pero de diferentes ámbitos, y les pides que hablen sobre algo técnico", dice McMaster sobre los esfuerzos del equipo para producir algo tanto científicamente preciso como visualmente atractivo. "Su entusiasmo es realmente contagioso".

En febrero de 2020, el animador LaPlante dio la bienvenida a los científicos y cineastas a su estudio en Maine para compartir su primera idea. Aunque comprender el mundo de la física cuántica planteó un desafío único, explica:"Una de las ventajas que tengo es que no vengo de una formación científica. Mi objetivo siempre es entender la ciencia y luego descubrir, "Vale, bueno, ¿cómo se ve?"

Los gluones, por ejemplo, se han descrito como resortes, elásticos y vacíos. LaPlante imaginó la partícula, que se cree que mantiene unidos a los quarks, como una tina de limo. Si metes el puño cerrado y tratas de abrirlo, creas un vacío de aire, lo que hace que sea más difícil abrir el puño porque el material que lo rodea quiere enrollarlo.

LaPlante también se inspiró para usar su software 3D para "congelar el tiempo" y volar alrededor de un protón inmóvil, solo para que los físicos le informaran que tal interpretación era inexacta según los datos existentes. Los aceleradores de partículas solo pueden detectar un corte bidimensional. De hecho, los datos tridimensionales son algo que los científicos esperan capturar en su próxima etapa de experimentación. Todos se habían topado con la misma pared, y con la misma pregunta, a pesar de abordar el tema de maneras completamente diferentes.

"Mi arte se trata realmente de la claridad de la comunicación y de tratar de convertir la ciencia compleja en algo que sea comprensible", dice LaPlante. Al igual que en la ciencia, hacer las cosas mal suele ser el primer paso de su proceso artístico. Sin embargo, su intento inicial de animación fue un éxito entre los físicos, y refinaron el proyecto con entusiasmo con Zoom.

"Hay dos perillas básicas que los experimentadores pueden marcar cuando dispersamos un electrón de un protón a alta energía", explica Milner, al igual que la resolución espacial y la velocidad de obturación en la fotografía. "Esas variables de la cámara tienen analogías directas en el lenguaje matemático de los físicos que describen esta dispersión".

A medida que se reduce el "tiempo de exposición", o Bjorken-X, que en QCD es la interpretación física de la fracción del momento del protón transportado por un quark o gluón, se ve el protón como un número casi infinito de gluones y quarks moviéndose muy rápidamente. Si se eleva Bjorken-X, verá tres manchas, o quarks de valencia, en rojo, azul y verde. A medida que se marca la resolución espacial, el protón pasa de ser un objeto esférico a un objeto en forma de panqueque.

"Creemos que hemos inventado una nueva herramienta", dice Milner. "Hay preguntas científicas básicas:¿Cómo se distribuyen los gluones en un protón? ¿Son uniformes? ¿Están agrupados? No lo sabemos. Estas son preguntas básicas y fundamentales que podemos animar. Creemos que es una herramienta para la comunicación, la comprensión y discusión científica.

"Este es el comienzo. Espero que la gente lo vea en todo el mundo y se inspire". + Explora más

Examinando los orígenes del espín de los protones

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