El giro de un protón

Tomado de la edición de junio de 2015 de Physics World

Durante la mayor parte de los 30 años, los físicos no han podido responder una pregunta aparentemente simple: ¿de dónde proviene el giro del protón? Como informa Edwin Cartlidge, la respuesta finalmente puede estar al alcance de la mano.

No tan simple

En física, el presupuesto siempre tiene que estar equilibrado. La cantidad de cualquier cantidad física en un lado de una ecuación (energía, cantidad de movimiento, carga, etc.) debe ser igual a la del otro lado. Cualquier desequilibrio significa que nuestra comprensión de la naturaleza puede estar fuera de lugar y, de hecho, puede sugerir la existencia de nuevas leyes, partículas o fuerzas.

Durante casi tres décadas, los físicos se han enfrentado a un desequilibrio particularmente obstinado. Lo que está en juego es el momento angular intrínseco, o "giro", de un protón. El espín es una propiedad de la mecánica cuántica, similar al momento angular de una esfera clásica que gira sobre su eje, excepto que viene en unidades discretas de múltiplos enteros o semienteros de ?. El protón, como el electrón y el neutrón, tiene un espín de ?/2, o “espín-1/2”. Lo mismo ocurre con cada uno de sus tres quarks. Sumar los espines de los quarks para obtener el espín total del protón parece, en principio, sencillo: si dos de los espines de los quarks apuntan hacia arriba, mientras que el otro apunta hacia abajo, el espín hacia abajo cancelará uno de los hacia arriba y ambos lados de la ecuación debe quedar con un momento angular de ? /2.

Excepto que no es tan simple. En 1988, la Colaboración Europea de Muones (EMC) en el CERN sorprendió a la comunidad física al anunciar que la suma de los espines de los tres quarks que forman el protón es mucho menor que el espín del propio protón. Esto fue inesperado porque el enfoque de resumen había funcionado para varias de las otras propiedades del protón. Por ejemplo, la carga eléctrica del protón de +1 se puede explicar sumando la carga de sus dos quarks con sabor a "arriba" (+2/3) a la de su quark "abajo" (–1/3). (Tenga en cuenta que aquí, "arriba" y "abajo" son nombres de quarks y no tienen nada que ver con el espín). Sin embargo, los investigadores de EMC descubrieron que el espín neto de los tres quarks en realidad representaba no más del 24 % del protón. girar, e incluso podría contribuir con tan solo un 4%, prácticamente nada de eso, en otras palabras.

“Fue una observación que conmocionó al mundo”, dice Fred Myhrer de la Universidad de Carolina del Sur en los Estados Unidos. “Todo el mundo estaba desconcertado por eso. ¿Por qué debería fallar tanto el modelo de quarks que había funcionado tan bien? De hecho, Gerhard Mallot del CERN dice que el resultado amenazaba con socavar la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría presentada a principios de la década de 1970 que describe cómo actúa la fuerza nuclear fuerte entre los quarks. “La gente se puso nerviosa”, recuerda. "Hubo conjeturas de que el experimento estaba mal, o incluso que QCD estaba mal".

La gravedad de la situación se resumía en el nombre que le dieron los físicos: “crisis de giro”. Reacios a abandonar el modelo de quarks debido a sus éxitos sustanciales, los investigadores dedicaron sus energías a encontrar fuentes alternativas del espín del protón. Había varias posibilidades. Podría provenir del impulso adquirido por los quarks y los gluones, las partículas que transportan la fuerza nuclear fuerte y "pegan" los quarks dentro de los protones y los neutrones, a medida que giran alrededor del eje de giro del protón. Sin embargo, este momento angular orbital es difícil de medir. En cambio, muchos investigadores cifraron sus esperanzas en otra opción: el giro de los gluones (ver figura 1 a continuación).

Sin embargo, obtener buenos datos sobre el giro de los gluones tomó casi 20 años, y cuando finalmente llegó esa nueva información, fue decepcionante. En 2008, los físicos que trabajaban en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ??(RHIC) en el Laboratorio Brookhaven en Long Island, Nueva York, demostraron que el giro del gluón contribuye mucho menos al giro del protón de lo que se había propuesto. Los datos de RHIC siguieron los pasos de un resultado similar (pero menos confiable) obtenido por la colaboración COMPASS en el CERN dos años antes, por lo que no parecía una casualidad. Lejos de resolver la crisis, los nuevos resultados amenazaban con profundizarla.

Pero los resultados de RHIC llegaron con grandes barras de error. Durante los últimos siete años, los investigadores han buscado reducir esos errores utilizando un acelerador mejorado y detectores mejorados. El conjunto de datos resultante, que incluye resultados adquiridos hasta 2009, muestra que el gluón podría, después de todo, contribuir con una fracción significativa del espín del protón. El año pasado, dos grupos de teóricos que habían analizado esos datos mostraron que la contribución podría, de hecho, acercarse a la mitad del espín del protón. Uno de esos teóricos, Werner Vogelsang, de la Universidad de Tübingen en Alemania, argumenta que el avance ofrece la esperanza de que el enigma del espín perdido finalmente se resuelva.

Los límites de la teoría

Idealmente, a los físicos les gustaría poder calcular el espín del protón (y el del neutrón, que tiene un déficit de espín similar) a partir de primeros principios. Desafortunadamente, QCD es demasiado complejo para permitir cálculos analíticos. El problema básico radica en la enorme fuerza de la fuerza nuclear fuerte. Otras fuerzas, como el electromagnetismo o la fuerza nuclear débil, son tan insignificantes que pueden representarse mediante una expresión matemática bastante sencilla, a la que se añaden correcciones de orden superior. Pero con la fuerza fuerte, esas correcciones son en sí mismas grandes y retroalimentan el término principal.


1 Mirando dentro del protón

Estas grandes correcciones son necesarias, en parte, para explicar el hecho de que los propios gluones poseen "color", el equivalente QCD de la carga. Esto significa que, a diferencia de los fotones, que no tienen carga, los gluones pueden interactuar consigo mismos. Los gluones también se descomponen continuamente en pares de quarks y antiquarks, como consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg: en períodos de tiempo muy breves, la incertidumbre en la masa-energía es muy grande, lo que implica que pares de partículas y antipartículas pueden entrar y salir de existencia. Estos pares quark-antiquark de vida muy corta pueden tener una influencia significativa en el comportamiento de los protones en la teoría QCD.

La extraordinaria complejidad de QCD significa que los físicos deben derivar muchos parámetros clave relacionados con la materia de los quarks a partir de mediciones experimentales, sin poder predecirlos primero teóricamente. Uno de los tipos de medición más importantes a su disposición, y el que provocó la crisis del espín, se conoce como dispersión inelástica profunda. Esta técnica implica primero disparar electrones de alta energía (o sus primos más masivos, los muones; estas partículas se conocen colectivamente como "leptones") en un objetivo que contiene ciertos núcleos y luego medir la desviación de los leptones como resultado de su interacción electromagnética. con dos tipos diferentes de quark: los quarks de "valencia" dentro de los protones y neutrones, y los quarks "mar" virtuales mucho más numerosos que aparecen y desaparecen continuamente del vacío.

Para medir el espín de los quarks mediante la dispersión inelástica profunda, tanto los leptones entrantes como los protones objetivo deben estar polarizados, de modo que los espines de los dos tipos de partículas se alineen o se opongan entre sí. La conservación del espín significa que los leptones solo pueden interactuar (mediante el intercambio de un fotón de espín 1) con quarks de espín opuesto. Entonces, disparando leptones primero polarizados en una dirección y luego en la otra, y registrando el número de desviaciones en cada caso, los científicos pueden calcular el desequilibrio en el espín de los quarks y descubrir si suma o no el ? /2 necesario para dar cuenta de el espín del protón.

Las primeras mediciones de este tipo se llevaron a cabo en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) en California a fines de la década de 1970. Estas mediciones mostraron que los quarks contribuyen con aproximadamente el 60% del espín del protón, lo cual no fue sorprendente, ya que ya se había predicho que los efectos relativistas transformarían parte del espín de los quarks en un momento angular orbital. Esta transformación ocurre porque los quarks están confinados en un pequeño espacio dentro del protón, y de acuerdo con el principio de incertidumbre, esto implica que esos quarks tienen un momento significativo tanto perpendicular como a lo largo de su dirección de movimiento. Esto significa que los quarks giran, y lo hacen a velocidades relativistas debido a su pequeña masa.

Sin embargo, el experimento SLAC se vio limitado por tener un haz de energía relativamente baja, de no más de 20 GeV. La energía es un parámetro crucial en los experimentos de dispersión porque las energías más altas corresponden a longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, a resoluciones más altas. Y cuanto mayor es la resolución, más denso es el mar de quarks y gluones virtuales visibles dentro del protón, dado que los quarks irradian gluones que se dividen en pares quark-antiquark, que luego emiten más gluones, y así sucesivamente. Esa densidad cada vez mayor significa a su vez una distribución cada vez mayor de la energía del protón, lo que significa que cada partícula lleva un momento cada vez menor. Dado que el espín de los quarks debe integrarse entre los quarks de todos los momentos, las sondas de mayor energía proporcionan una mejor estimación de la contribución total de todos los quarks al espín del protón, desde los quarks de valencia más energéticos hasta los quarks marinos más bajos.

Aquí es donde el EMC tenía la ventaja. Al disparar un haz de muones en un objetivo de amoníaco, pudo alcanzar energías de 200 GeV y, por lo tanto, sondear quarks con momentos mucho más bajos. Dio la casualidad de que el espín de estos quarks no contribuyó tanto al espín total del protón como se esperaba de una extrapolación de los datos SLAC, lo que hace que la contribución general del espín de los quarks sea mucho menor de lo que se pensaba anteriormente. Este sorprendente resultado ha sido confirmado desde entonces por otros experimentos de dispersión en SLAC, CERN, el laboratorio DESY en Alemania y el laboratorio Jefferson en Virginia. Los datos combinados de estos experimentos indican que el espín de los quarks contribuye con alrededor del 30 (+/–5) % del espín del protón, un poco más de lo que habían sugerido los resultados iniciales de EMC, pero aún mucho menos que el total.

Gluones vs movimiento orbital

Con la contribución del espín de los quarks así precisada, la atención se centró en el 65-75% restante del espín de protones no contabilizado. La mayoría de los físicos piensan que esto se reparte entre tres fenómenos contribuyentes: el momento angular orbital de los quarks, el giro de los gluones y el momento angular orbital de los gluones. (Los fotones también pueden jugar un papel, pero se espera que su contribución sea muy pequeña, si no cero). Sin embargo, siguen existiendo diferencias de opinión sobre qué tan grande es probable que sea cada uno de estos componentes.


Datos duros

Anthony Thomas, de la Universidad de Adelaide en Australia, afirma que prácticamente toda la fracción restante puede explicarse mediante la conversión del espín de los quarks en momentos angulares orbitales de quarks y antiquarks. Su afirmación se basa en un modelo que trata al protón como una “bolsa” de tres quarks rodeada por una nube de piones, que son partículas de vida muy corta con un núcleo de quark-antiquark. Thomas dice que en este modelo de "bolsa nublada", los efectos de tres fenómenos se suman para generar la conversión de momento angular de espín a orbital requerida: uno, el movimiento relativista de los quarks; dos, el intercambio de gluones cuando interactúan los quarks; y tres, la breve “fluctuación” de un protón en un protón o neutrón más un pión (cualquier giro del giro del protón da como resultado que el pión se lleve el momento angular orbital).

Inicialmente, los resultados derivados de este modelo no estaban de acuerdo con las predicciones de otra técnica, conocida como celosía QCD, que permite calcular algunas propiedades de los protones al descomponer el espacio y el tiempo en unidades discretas. Pero Thomas se dio cuenta de que la red QCD considera protones con energías muy diferentes (y, por lo tanto, resoluciones) de las que se usan típicamente en el modelo de bolsa nublada. Una vez que se tiene en cuenta esta diferencia de energía, dice, los dos enfoques arrojan resultados similares.

Otros teóricos, sin embargo, piensan que los gluones aún podrían hacer una contribución sustancial. Robert Jaffe, del Instituto Tecnológico de Massachusetts en los EE. UU., argumenta que "no hay razón a priori" para pensar que cualquiera de los componentes potenciales del espín pueda despreciarse, y Vogelsang argumenta que el espín del gluón "podría" contribuir fácilmente con algo más que el momento angular orbital. . En opinión de Vogelsang, el modelo de la bolsa turbia podría explicar por qué la contribución del espín del quark es tan pequeña, pero no está convencido de que pueda explicar de dónde proviene el espín faltante.

Según Vogelsang, prevaleció un "estado de ánimo de crisis" en torno a la búsqueda del giro del protón faltante hasta el año pasado, cuando la última ronda de resultados de RHIC lo levantó. RHIC choca dos haces de protones polarizados y (como en los experimentos anteriores de dispersión inelástica profunda basados ??en leptones) realiza mediciones con los espines de los haces alineados y luego antialineados. Sin embargo, mientras que los leptones no pueden dispersar los gluones directamente porque no sienten la fuerza fuerte, los rayos RHIC que chocan producen muchas interacciones que involucran a los quarks y/o gluones, lo que proporciona información directa sobre el giro de los gluones.

Usando datos de los detectores STAR y PHENIX de RHIC, Vogelsang y sus colegas de Tübingen y Buenos Aires determinaron que la contribución del espín del gluón era de alrededor del 40 %. Un grupo separado, dirigido por Emanuele Nocera de la Universidad de Milán en Italia, concluyó que era alrededor del 34 %. Más datos de RHIC (recopilados entre 2011 y 2015) permitirán a los teóricos refinar aún más estas estimaciones.

Impulso de energía

Con estas estimaciones confiables, uno podría esperar que solo un tercio del espín del protón permanezca disponible. Sin embargo, Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky en los EE. UU. y portavoz adjunta de la colaboración STAR, señala que todavía quedan algunas preguntas pendientes sobre el giro del gluón. Como fue el caso con el espín de los quarks, dice, las contribuciones del espín de los gluones deben sumarse en todos los momentos, y las energías de colisión de RHIC de 500 GeV no son lo suficientemente energéticas para sondear gluones en el extremo más bajo de la escala de momento. Hacer eso, dice, requerirá una nueva máquina: el Colisionador de iones de electrones (EIC).

El EIC combinaría el impacto de los experimentos con haces de protones con la precisión de los electrones. En los experimentos con haces de protones, las colisiones reales tienen lugar entre quarks individuales, no entre protones completos, y cada quark transporta solo una fracción de la energía del protón. Por el contrario, los electrones son partículas puntuales, por lo que entregan toda la energía que adquieren a través de la aceleración. Esto significa que en los experimentos con haces de electrones, las energías de colisión son en realidad más altas aunque la energía combinada de los dos haces sea menor.


solucionador de rompecabezas

Actualmente hay dos diseños sobre la mesa para el EIC de aproximadamente $ 1 mil millones: uno que implica la adición de una instalación de haz de electrones en RHIC y el otro que requiere la construcción de un acelerador de iones en el Laboratorio Jefferson. Cualquiera de las encarnaciones eventualmente alcanzaría energías de colisión en la región de 140 GeV, pero no se encendería hasta 2025 como muy pronto.

Según Elke-Caroline Aschenauer del laboratorio de Brookhaven, el EIC debería proporcionar la última palabra sobre el espín de los protones. Ella argumenta que no solo llegará hasta el momento de interés más bajo de los gluones, sino que también restringirá los modelos que describen los momentos angulares orbitales de los quarks y los gluones. “Creo que después del EIC tendrás resuelto el rompecabezas”, dice ella. “Si el EIC no lo resuelve, entonces el protón tendría que obtener su giro de algo más que quarks, gluones y momento angular orbital. Y eso sería extremadamente sorprendente”.

Thomas, sin embargo, cree que el rompecabezas del giro ya se ha resuelto, a favor de los momentos angulares orbitales de quarks y antiquarks. Reconoce que la contribución del espín del gluón "ha aumentado un poco" a la luz de los últimos datos de RHIC, pero argumenta que esto es "solo la mitad de la historia". Sostiene que la verdadera contribución de los gluones al espín del protón sigue sin estar clara porque, dice, a energías más altas, donde aumenta su contribución al espín, su contribución al momento angular en realidad disminuye. "Hay muchos experimentos interesantes que puede hacer un colisionador de iones de electrones, como clasificar el espín que llevan varios tipos de quarks y antiquarks", explica. “Pero resolver la crisis del giro no es una de ellas”.

Myhrer, que trabajó en el modelo de la bolsa turbia con Thomas, también cree que el giro del gluón es el lugar equivocado para buscar. Argumenta que no es posible separar las contribuciones del espín y del momento angular orbital proporcionadas por el portador de fuerza fuerte. Pero no es tan optimista como su colega australiano. “Mi opinión sobre esto como teórico es bastante firme: sí, el momento angular debido al giro de los quarks representa una gran fracción del espín faltante”, dice Myhrer. “Sin embargo, solo los experimentos futuros pueden resolver estos argumentos en curso”.

Vogelsang está de acuerdo en que se necesitan más datos para resolver el problema. De hecho, señala que, aunque es poco probable, todavía es posible que los gluones de movimiento lento tengan sus espines alineados con los del protón, lo que reduce la contribución de los gluones o incluso la cancela por completo. “Los modelos tienden a predecir que el giro del gluón se alinea en momentos bajos, pero no tenemos una prueba clara de eso”, dice. “Lo único que se puede hacer es llevar los experimentos a estas escalas y ver qué sucede allí. Todavía podría haber sorpresas al acecho”.

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