¿Los astrofísicos te dicen de dónde viene la masa de los protones?

El todo debería ser igual a la suma de sus partes, pero el protón no lo es. He aquí por qué.

El todo es la suma de sus partes. Esto es cierto desde las galaxias hasta los planetas, las ciudades, las moléculas y los átomos. Si toma todos los componentes de cualquier sistema y los observa individualmente, podrá ver claramente cómo encajan entre sí para formar el sistema completo. Esta es la cantidad total igual a la suma de todas sus diferentes partes.

Pero los protones no siguen tales reglas.

El protón está compuesto por 3 quarks, pero si sumas las masas de estos 3 quarks, encontrarás que este número no sólo no es igual a la masa real del protón, sino que además está lejos de cada uno. otro.

Entonces, ¿por qué los protones no siguen la regla de que “el total es igual a la suma de sus partes”? Ésa es la pregunta que Barry Duffy nos pide que resuelvamos:

¿Qué sucede dentro del protón? ¿Por qué su masa excede la suma de las masas de sus quarks?

Para descubrirlo, tenemos que investigar un poco.

Ilustración: La composición del cuerpo humano está relacionada con la cantidad y calidad de los átomos. El todo de nuestro cuerpo es igual a la suma de sus partes, hasta llegar a una escala muy básica. A esta escala, podemos ver que en realidad somos más que la suma de nuestras partes.

(ED UTHMAN, M.D., A TRAVÉS DE WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN (L); USUARIO DE WIKIMEDIA COMMONS ZHAOCAROL (R))

De parte nuestra Esto puede darte una idea: si te subdivides en partes cada vez más pequeñas, encontrarás que, en términos de calidad, el todo es igual a la suma de sus partes. Los huesos, la grasa, los músculos y los órganos de su cuerpo forman una persona completa. Si lo descompones más, incluso hasta el nivel celular, la suma de la masa de cada parte sigue siendo igual a tu peso actual.

Las células se pueden dividir en orgánulos, que están compuestos por moléculas individuales, y las moléculas están compuestas por átomos. En sus respectivos niveles, no existe diferencia entre la masa de estos conjuntos y la suma de las masas de ellos. sus partes. Pero cuando llegamos por debajo del átomo, al nivel de los protones, neutrones y electrones, sucede algo interesante. En ese nivel, hay una diferencia pequeña pero muy notable: los protones, neutrones y electrones individuales se desvían de todo el cuerpo humano en aproximadamente un 1%. La diferencia es real.

Ilustración: Desde la escala macroscópica hasta la subatómica, el tamaño de las partículas elementales juega un papel mínimo en la determinación del tamaño de las estructuras compuestas. Aún se desconoce si los bloques de construcción tienen realmente partículas fundamentales y/o puntuales. (Fuente de la foto: MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)

Como todos los organismos conocidos, los humanos también somos formas de vida basadas en carbono. Un átomo de carbono está formado por seis protones y seis neutrones, pero si se mide la masa de un átomo de carbono, es aproximadamente un 0,8% más ligero que la suma de sus componentes. La culpable es la energía nuclear; cuando se combinan núcleos atómicos, su masa total es menor que la suma de las masas de los protones y neutrones que los forman.

El carbono se produce mediante la fusión del hidrógeno en helio, y luego del helio nuevamente; la mayoría de los tipos de estrellas liberan energía a través de este proceso durante su secuencia principal y etapas de gigante roja. Se puede ver en la ecuación E = mc? de Einstein que esta "pérdida de masa" es la fuente de energía estelar. A medida que las estrellas arden, crean núcleos más estrechamente unidos, liberando energía en forma de radiación.

Ilustración: La Nebulosa del Anillo brilla en el cielo nocturno entre las estrellas gigantes azules Selyak y Surafat, la segunda y tercera estrellas más brillantes de la constelación de Lyra. Durante todas las etapas de la vida de una estrella, incluida la fase gigante, la fusión nuclear alimenta a la estrella y los núcleos estarán más estrechamente unidos entre sí, emitiendo más energía a través de la radiación que convierte la masa en energía mediante E = mc?.

(Fuente de la imagen: NASA, ESA, DIGITIZED SKY SURVEY 2)

La mayoría de los tipos de energía vinculante funcionan así: cuando desarmas las cosas, la razón por la que tienen dificultades es porque liberan energía cuando están conectados entre sí, y hay que devolverles esa energía para poder separarlos.

Eche un vistazo a las partículas que forman un protón: los dos quarks arriba y un quark abajo en su núcleo: su masa combinada es solo el 0,2% de la masa total del protón. razones fácticas tan desconcertantes.

Sin embargo, también podemos explicar este hecho a partir de la naturaleza de la energía de enlace.

La forma en que los quarks se combinan para formar protones es fundamentalmente diferente de las otras fuerzas que conocemos. La fuerza gravitacional y la fuerza electromagnética entre objetos generales (nota: macro) se volverán más fuertes a medida que la distancia se acorte. Pero los quarks son diferentes. Cuando se acercan más entre sí, estas atracciones se vuelven 0.

Diagrama: La estructura interna de un protón, incluyendo quarks, gluones y espín de quarks. Las fuerzas nucleares actúan como resortes y, cuando no están estiradas, la fuerza es insignificante. Cuando se estira, vuelve a ser muy grande. (Fuente: LABORATORIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Esta propiedad de la fuerza nuclear fuerte se llama libertad asintótica, y las partículas que median esta fuerza se llaman gluones. Por razones desconocidas, el 99,8% de la masa de los protones proviene de estos gluones. En cierto modo, el todo pesa mucho más que la suma de sus partes.

Esto puede parecer imposible al principio, ya que los gluones en sí son partículas sin masa. Pero puedes pensar en la fuerza generada entre ellos como un resorte: cuando la expansión y contracción del resorte es 0, el resorte no produce fuerza elástica, pero cuanto mayor es la deformación, mayor es la fuerza elástica. De hecho, la energía entre dos quarks, cuya distancia se vuelve demasiado grande, es como un par extra quark/antiquark presente en el protón: un quark marino.

Cuando dos protones chocan, no solo intervienen quarks, sino también quarks marinos, gluones e interacciones de campo más allá de estos. Todo esto podría proporcionar información sobre el giro de componentes individuales y permitirnos crear partículas potencialmente nuevas cuando alcancen energías y brillos suficientemente altos. (Fuente de la imagen: COLABORACIÓN CERN/CMS)

Aquellos que estén familiarizados con la teoría cuántica de campos pueden estar ansiosos por pensar en los gluones y los quarks marinos como partículas virtuales: utilizadas para obtener la información correcta. herramientas de cálculo de resultados. Pero ese no es el caso, y lo hemos demostrado en colisiones de alta energía entre dos protones o un protón y otra partícula, como un electrón o un fotón.

La colisión en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN es quizás la mayor prueba de la estructura interna del protón. Cuando dos protones chocan a estas energías ultraaltas, en su mayoría simplemente pasan entre sí y no pueden interactuar. Pero cuando dos partículas internas puntuales chocan, podemos reconstruir con precisión el objeto destrozado observando los escombros producidos por la colisión.

Fuente de la imagen: Evento del bosón de Higgs visto en el detector de solenoide lunar compacto del Gran Colisionador de Hadrones. Esta espectacular colisión fue 15 órdenes de magnitud menor que la energía de Planck, pero fueron las mediciones precisas del detector las que nos permitieron reconstruir lo que sucedió en (y cerca) del punto de colisión. Teóricamente, el Higgs da masa a las partículas elementales; sin embargo, la masa del protón no se debe a las masas de los quarks y gluones que lo componen. (Fuente: COLABORACIÓN CERN/CMS)

Menos del 10% de las colisiones ocurren entre dos quarks; la gran mayoría son colisiones gluón-gluón, el resto son colisiones quark-gluón. Además, las colisiones quark-quark en protones no siempre ocurren entre quarks arriba o abajo; a veces están involucrados quarks más pesados.

Si bien esto puede incomodarnos, estos experimentos nos enseñan una lección importante: las partículas que utilizamos para modelar la estructura interna del protón son reales. De hecho, el descubrimiento del bosón de Higgs solo fue posible por esta razón, ya que su producción fue causada principalmente por colisiones gluón-gluón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Si tuviéramos tres quarks de valencia en los que confiar, veríamos que los costos de producción del Higgs son diferentes a los que veríamos.

Ilustración: Antes de conocer la masa del bosón de Higgs, todavía podemos calcular la tasa de producción esperada del bosón de Higgs en colisiones protón-protón en el LHC. El canal superior aparentemente se produce por colisiones entre gluones y gluones. Yo (E.Siegel) agregué áreas resaltadas en amarillo para indicar dónde se descubrió el bosón de Higgs. (Fuente de la imagen: COLABORACIÓN CMS (DORIGO, TOMMASO PARA LA COLABORACIÓN) ARXIV:0910.3489)

Como siempre, todavía tenemos mucho que aprender. Actualmente tenemos un modelo sólido de densidad típica de gluones dentro de un protón, pero si queremos saber dónde es más probable que se encuentren los gluones, esto requiere más datos experimentales y mejores modelos para comparar los datos. Los avances de los teóricos Bjorn Schenk y Heikki Mantissari pueden proporcionar aquellos modelos que tienen una gran demanda. Como detalla Maintisari:

"Es muy exacto cuál es la densidad promedio de gluones dentro de un protón. Lo que no se sabe es la ubicación exacta de los gluones dentro del protón. Simulamos gluones alrededor de tres quarks [de valencia] Luego controlamos la cantidad de fluctuación representada en el modelo estableciendo la mayor extensión de la nube de gluones y la distancia entre ellas... Cuantas más fluctuaciones tengamos, más producirá este proceso J/ Cuanto mayor sea la posibilidad de que ocurra. del mesón ψ]”

Fuente: Diagrama esquemático del primer colisionador electrón-electrón (EIC) del mundo. Agregar el anillo de electrones (rojo) al Colisionador Bariónico Relativista (RHIC) en Brookhaven creará eRHIC: un experimento de dispersión inelástica profunda propuesto que podría mejorar significativamente nuestra comprensión de la estructura interna del protón. (Ilustración: LABORATORIO NACIONAL DE BROOKHAVEN-GRUPO CAD ERHIC)

La combinación de este nuevo modelo teórico y los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en continua mejora, permitirá a los científicos comprender mejor las estructuras internas y básicas de protones, neutrones y núcleos, comprendiendo así la masa de los objetos conocidos. Desde una perspectiva experimental, el mayor beneficio será la próxima generación de colisionadores electrón-electrón, que nos permitirán realizar experimentos de dispersión inelástica profunda para revelar la composición intrínseca de estas partículas como nunca antes.

Pero existe otro método teórico que puede llevarnos más lejos en el campo de la comprensión del origen de la masa de protones: la red QCD.

Ilustración: Gracias a mejoras experimentales y nuevos desarrollos teóricos, se ha podido comprender mejor la estructura interna del protón, incluida cómo se distribuyen los quarks y gluones del "mar". (Fuente: LABORATORIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

La dificultad con la fuerza fuerte descrita por la teoría cuántica de campos (cromodinámica cuántica (QCD)) es que nuestra forma estándar de hacer cálculos es mala. Normalmente, nos fijamos en los efectos del acoplamiento de partículas: un quark cargado intercambia un gluón y modula la fuerza. Pueden intercambiar gluones de una manera que crea pares partícula-antipartícula o gluones adicionales, lo que debería ser una corrección a un simple intercambio de un solo pegamento. Pueden crear pares o gluones adicionales, que serían correcciones de orden superior.

A este enfoque lo llamamos extensión perturbativa en la teoría cuántica de campos, argumentando que calcular las contribuciones de orden superior nos dará un resultado más preciso.

Diagrama: hoy en día, los diagramas de Feynman se utilizan para calcular cada interacción fundamental entre las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, incluso en condiciones de alta energía y criogénicas/concentradas. Pero este método se basa en la expansión de perturbaciones y tiene una utilidad limitada para interacciones fuertes porque a medida que se agregan más y más bucles a QCD, el método se dispersa en lugar de converger. .(Fuente: DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Sin embargo, este método no es adecuado para la electrodinámica cuántica ( QED) funciona muy bien, pero falla en QCD. La fuerza fuerte funciona de manera diferente, por lo que estas correcciones son muy rápidas.

Agregar más términos, en lugar de converger hacia la respuesta correcta, te desvía y te aleja de ella. Afortunadamente, existe otra forma de solucionar este problema: utilizando una técnica llamada celosía QCD, sin perturbar el suelo.

Este problema se puede superar inteligentemente tratando el espacio y el tiempo como una cuadrícula (o una red de puntos) en lugar de un continuo, donde la red es arbitrariamente grande y el espaciado es arbitrariamente pequeño. En QCD perturbado estándar, la naturaleza continua del espacio significa que se pierde la capacidad de calcular las fuerzas de interacción en distancias pequeñas, mientras que el enfoque de red significa que hay un límite en el tamaño del espaciamiento de la red. Los quarks están presentes en las intersecciones de las líneas de la cuadrícula; los gluones están presentes a lo largo de los enlaces que conectan los puntos de la cuadrícula.

A medida que aumenta la potencia informática, se puede reducir el espaciado de la red, mejorando así la precisión del cálculo. Durante las últimas tres décadas, esta tecnología ha provocado una explosión de predicciones sobre el estado sólido, incluida la masa de los núcleos ligeros y la velocidad de las reacciones de fusión en condiciones específicas de temperatura y energía. La masa de un protón, desde los primeros principios, ahora se puede predecir teóricamente con una precisión del 2%.

Gráfico: A medida que la potencia informática y la tecnología Lattice QCD han mejorado con el tiempo, también ha mejorado la precisión de diversas cantidades de protones, como las contribuciones de espín de sus componentes. Al reducir el tamaño del espaciado de la red (lo que se puede hacer simplemente aumentando la potencia de cálculo utilizada), podemos predecir mejor la masa no solo de los protones, sino también de todos los bariones y mesones. (Fuente de la imagen: LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE CLERMONT / COLABORACIÓN ETM)

De hecho, la masa de los quarks individuales está determinada por su acoplamiento al bosón de Higgs, que ni siquiera puede explicar 1 % de la masa del protón. En cambio, las poderosas fuerzas descritas por las interacciones entre quarks y gluones son en realidad responsables de todos ellos.

La poderosa fuerza nuclear es la interacción más poderosa de todo el universo conocido. Cuando entras en una partícula como un protón, es tan poderosa que ella (no la masa de las partículas de las que está hecho el protón) es la principal responsable de la energía total (y por lo tanto de la masa) de la materia normal en el universo. Los quarks pueden tener forma de puntos, pero los protones son enormes en comparación: 8,4 × 10-16 metros de diámetro. Confinando las partículas que lo componen, se trata de la energía de enlace de la fuerza fuerte, que es responsable del 99,8% de la masa del protón.

Autor: medio

FY: Kristina

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