Los científicos están sosteniendo un "espejo" de protones y neutrones para aprender más sobre las partículas que construyen nuestro universo visible. El experimento MARATHON, llevado a cabo en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU., ha accedido a nuevos detalles sobre la estructura de estas partículas al comparar los llamados núcleos espejo, el helio-3 y el tritón. Los resultados se publicaron recientemente en Physical Review Letters .

Las partículas fundamentales que forman la mayor parte de la materia que vemos en el universo (quarks y gluones) están enterradas en lo profundo de los protones y neutrones, los nucleones que forman los núcleos atómicos. La existencia de quarks y gluones se confirmó por primera vez hace medio siglo en experimentos ganadores del Premio Nobel realizados en el Centro Acelerador Lineal de Stanford del DOE (ahora conocido como Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC).

Estos experimentos, primeros en su tipo, introdujeron la era de la dispersión inelástica profunda. Este método experimental utiliza electrones de alta energía que viajan profundamente dentro de protones y neutrones para probar los quarks y gluones allí.

"Cuando decimos dispersión inelástica profunda, lo que queremos decir es que los núcleos bombardeados con electrones en el haz se rompen instantáneamente, revelando así los nucleones dentro de ellos cuando los electrones dispersos son capturados con sistemas de detección de partículas de última generación", dijo Gerassimos ( Makis) Petratos, profesor de la Universidad Estatal de Kent y portavoz y persona de contacto del experimento MARATHON.

Los enormes sistemas detectores de partículas que recogen los electrones que emergen de estas colisiones miden sus momentos, una cantidad que incluye la masa y la velocidad de los electrones.

Desde esos primeros experimentos hace cinco décadas, se han realizado experimentos de dispersión inelástica profunda en varios laboratorios de todo el mundo. Estos experimentos han alimentado la comprensión de los físicos nucleares sobre el papel de los quarks y gluones en las estructuras de protones y neutrones. Hoy en día, los experimentos continúan afinando este proceso para obtener información cada vez más detallada.

En el experimento MARATHON recientemente completado, los físicos nucleares compararon los resultados de los experimentos de dispersión inelástica profunda por primera vez en dos núcleos de espejo para aprender sobre sus estructuras. Los físicos optaron por centrarse en los núcleos de helio-3 y tritio, que es un isótopo del hidrógeno. Mientras que el helio-3 tiene dos protones y un neutrón, el tritio tiene dos neutrones y un protón. Si pudiera transformar helio-3 en un "espejo" convirtiendo todos los protones en neutrones y los neutrones en protones, el resultado sería tritio. Por eso se les conoce como núcleos de espejo.

"Usamos el sistema de núcleos de espejo más simple que existe, tritio y helio-3, y es por eso que este sistema es tan interesante", dijo David Meekins, científico del personal de Jefferson Lab y co-portavoz del experimento MARATHON.

"Resulta que si medimos la relación de las secciones transversales en estos dos núcleos, podemos acceder a las funciones estructurales de los protones en relación con los neutrones. Estas dos cantidades pueden estar relacionadas con la distribución de los quarks arriba y abajo dentro de los núcleos". dijo Petratos.

Concebido por primera vez en un taller de verano en 1999, el experimento MARATHON finalmente se llevó a cabo en 2018 en la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos de Jefferson Lab, una instalación para usuarios del DOE. Los más de 130 miembros de la colaboración experimental MARATHON superaron muchos obstáculos para llevar a cabo el experimento.

Por ejemplo, MARATHON requería los electrones de alta energía que fueron posibles gracias al Proyecto de actualización CEBAF de 12 GeV que se completó en 2017, así como un sistema objetivo especializado para el tritio.

"Para este experimento individual, claramente el mayor desafío fue el objetivo. Al ser el tritio un gas radiactivo, necesitábamos garantizar la seguridad por encima de todo", explicó Meekins. "Esa es parte de la misión del laboratorio:no hay nada tan importante que podamos sacrificar la seguridad".

El experimento envió electrones de 10,59 GeV (mil millones de electronvoltios) a cuatro objetivos diferentes en la Sala Experimental A. Los objetivos incluían helio-3 y tres isótopos de hidrógeno, incluido el tritio. Los electrones salientes se recolectaron y midieron con los espectrómetros de alta resolución izquierdo y derecho de la sala.

Una vez que se completó la recopilación de datos, la colaboración trabajó para analizar cuidadosamente los datos. La publicación final incluyó los datos originales para permitir que otros grupos utilicen los datos sin modelo en sus propios análisis. También ofreció un análisis liderado por Petratos que se basa en un modelo teórico con correcciones mínimas.

"Lo que queríamos dejar en claro es que esta es la medición que hicimos, así es como lo hicimos, esta es la extracción científica de la medición y así es como lo hicimos", explica Meekins. "No tenemos que preocuparnos por favorecer un modelo sobre otro; cualquiera puede tomar los datos y aplicarlos".

Además de proporcionar una determinación precisa de la proporción de la función de estructura protón/neutrón, los datos también incluyen mediciones de momentos electrónicos más altos de estos núcleos de espejo que los que estaban disponibles antes. Este conjunto de datos de alta calidad también abre la puerta a análisis detallados adicionales para responder otras preguntas en física nuclear, como por qué los quarks se distribuyen de manera diferente dentro de los núcleos en comparación con los protones y neutrones libres (un fenómeno llamado Efecto EMC) y otros estudios de las estructuras de las partículas en los núcleos.

Al discutir los resultados, los portavoces de MARATHON se apresuraron a dar crédito al arduo trabajo de los miembros de la colaboración por los resultados finales.

"El éxito de este experimento se debe al destacado grupo de personas que participaron en el experimento y también al apoyo que tuvimos de Jefferson Lab", dijo Mina Katramatou, profesora de la Universidad Estatal de Kent y co-portavoz del experimento MARATHON. "También tuvimos un grupo fantástico de jóvenes físicos trabajando en este experimento, incluidos investigadores posdoctorales y estudiantes graduados".

"Hubo cinco estudiantes de posgrado que obtuvieron su investigación de tesis a partir de estos datos", confirmó Meekins. "Y son buenos datos, hicimos un buen trabajo y fue difícil de hacer". + Explora más

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