El poder de la gravedad está muy extendido en nuestro universo visible. Se puede ver en el paso cerrado de las lunas mientras giran alrededor de los planetas; en cometas errantes desviados de su curso por estrellas masivas; y en el remolino de galaxias gigantes. Estas impresionantes exhibiciones muestran la influencia de la gravedad en las escalas más grandes de la materia. Ahora, los físicos nucleares están descubriendo que la gravedad también tiene mucho que ofrecer en las escalas más pequeñas de la materia.

Una nueva investigación realizada por físicos nucleares en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. está utilizando un método que conecta las teorías de la gravitación con las interacciones entre las partículas más pequeñas de materia para revelar nuevos detalles a esta escala más pequeña. La investigación ha revelado ahora, por primera vez, una instantánea de la distribución de la fuerza fuerte dentro del protón. Esta instantánea detalla el esfuerzo cortante que la fuerza puede ejercer sobre las partículas de quark que forman el protón. El resultado se publicó recientemente en Reviews of Modern Physics. .

Según el autor principal del estudio, Volker Burkert, científico principal del laboratorio Jefferson, la medición revela información sobre el entorno experimentado por los componentes básicos del protón. Los protones están formados por tres quarks unidos por una fuerza fuerte.

"En su punto máximo, esto supone más de una fuerza de cuatro toneladas que habría que aplicar a un quark para sacarlo del protón", explicó Burkert. "La naturaleza, por supuesto, no nos permite separar solo un quark del protón debido a una propiedad de los quarks llamada 'color'. Hay tres colores que mezclan quarks en el protón para que parezca incoloro desde el exterior, un requisito para su existencia en el espacio.

"Tratar de sacar un quark coloreado del protón producirá un par quark/antiquark incoloro, un mesón, usando la energía que pones para intentar separar el quark, dejando atrás un protón (o neutrón) incoloro. Entonces, las 4 toneladas son una ilustración de la fuerza intrínseca del protón."

El resultado es sólo la segunda de las propiedades mecánicas del protón que se miden. Las propiedades mecánicas del protón incluyen su presión interna, su distribución de masa (tamaño físico), su momento angular y su esfuerzo cortante. El resultado fue posible gracias a una predicción de hace medio siglo y a datos de dos décadas de antigüedad.

A mediados de la década de 1960, se teorizó que si los físicos nucleares pudieran ver cómo interactúa la gravedad con las partículas subatómicas, como el protón, tales experimentos podrían revelar las propiedades mecánicas del protón directamente.

"Pero en ese momento, no había manera. Si comparas la gravedad con la fuerza electromagnética, por ejemplo, hay 39 órdenes de magnitud de diferencia, así que es completamente inútil, ¿verdad?" explicó Latifa Elouadhriri, científica del Jefferson Lab y coautora del estudio.

Los datos de décadas de antigüedad provienen de experimentos realizados con la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuo (CEBAF) del Laboratorio Jefferson, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Un experimento típico del CEBAF implicaría que un electrón energético interactúe con otra partícula intercambiando un paquete de energía y una unidad de momento angular llamada fotón virtual con la partícula. La energía del electrón dicta con qué partículas interactúa de esta manera y cómo responden.

En el experimento, se aplicó al protón una fuerza incluso mucho mayor que las cuatro toneladas necesarias para extraer un par quark/antiquark mediante el haz de electrones altamente energético que interactúa con el protón en un objetivo de gas hidrógeno licuado.

"Desarrollamos el programa para estudiar profundamente la dispersión Compton virtual. Aquí es donde tienes un electrón intercambiando un fotón virtual con el protón. Y en el estado final, el protón permaneció igual pero retrocedió, y tienes un fotón real de muy alta energía. producido, más el electrón disperso", dijo Elouadhriri. "En el momento en que tomamos los datos, no sabíamos que más allá de las imágenes tridimensionales que pretendíamos con estos datos, también estábamos recopilando los datos necesarios para acceder a las propiedades mecánicas del protón".

Resulta que este proceso específico, la dispersión Compton profundamente virtual (DVCS), podría estar relacionado con la forma en que la gravedad interactúa con la materia. La versión general de esta conexión fue expuesta en el libro de texto de 1973 sobre la teoría general de la relatividad de Einstein titulado "Gravitación" de Charles W. Misner, Kip S. Thorne y John Archibald Wheeler.

En él, escribieron:"Cualquier campo de espín-2 sin masa daría lugar a una fuerza indistinguible de la gravitación, porque un campo de espín-2 sin masa se acoplaría al tensor de tensión-energía de la misma manera que lo hacen las interacciones gravitacionales". ."

Tres décadas más tarde, el teórico Maxim Polyakov siguió esta idea y estableció la base teórica que conecta el proceso DVCS y la interacción gravitacional.

"Este avance en teoría estableció la relación entre la medición de la dispersión Compton profundamente virtual y el factor de forma gravitacional. Y pudimos usarlo por primera vez y extraer la presión que hicimos en la Naturaleza. papel en 2018, y ahora la fuerza normal y la fuerza de corte", explicó Burkert.

Puede encontrar una descripción más detallada de las conexiones entre el proceso DVCS y la interacción gravitacional en este artículo que describe el primer resultado obtenido de esta investigación.

Los investigadores dicen que su siguiente paso es trabajar en la extracción de la información que necesitan de los datos DVCS existentes para permitir la primera determinación del tamaño mecánico del protón. También esperan aprovechar experimentos más nuevos, con mayores estadísticas y mayor energía, que continúan la investigación DVCS en el protón.

Mientras tanto, los coautores del estudio se han sorprendido ante la gran cantidad de nuevos esfuerzos teóricos, detallados en cientos de publicaciones teóricas, que han comenzado a explotar esta vía recién descubierta para explorar las propiedades mecánicas del protón.

"Y también, ahora que estamos en esta nueva era de descubrimientos con el Plan de Ciencia Nuclear de Largo Alcance 2023 publicado recientemente. Este será un pilar importante de la dirección de la ciencia con nuevas instalaciones y nuevos desarrollos de detectores. Estamos mirando hacia adelante. para ver más de lo que se puede hacer", dijo Burkert.

Elouadhriri está de acuerdo.

"Y en mi opinión, esto es sólo el comienzo de algo mucho más grande que está por venir. Ya ha cambiado la forma en que pensamos sobre la estructura del protón", afirmó.

"Ahora podemos expresar la estructura de las partículas subnucleares en términos de fuerzas, presión y tamaños físicos con los que también pueden identificarse los no físicos", añadió Burkert.

Más información: V. D. Burkert et al, Coloquio:Factores de forma gravitacionales del protón, Revisiones de física moderna (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002

Información de la revista: Reseñas de física moderna , Naturaleza

Proporcionado por el Fondo del Acelerador Nacional Thomas Jefferson