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Físicos descubren que los quarks se mueven más lentamente en los átomos con más pares de protones y neutrones


El núcleo atómico está formado por protones y neutrones, que a su vez están compuestos por quarks y gluones. Los dos últimos son mucho más pequeños y operan a niveles de energía mucho más altos que los protones y neutrones en los que se encuentran. Por lo tanto, los físicos han asumido que un quark debería ser alegremente indiferente a las características de los protones y neutrones, y al átomo en general.

Pero en 1983, la European Muon Collaboration (EMC) en el CERN observó lo que se conocería como el efecto EMC: en el núcleo de un átomo de hierro que contiene muchos protones y neutrones, los quarks se mueven significativamente más lentamente que los quarks en deuterio (un isótopo del hidrógeno que contiene un protón y un neutrón en su núcleo).

Ahora, los físicos de la colaboración CLAS han encontrado que la velocidad de un quark depende de la cantidad de protones y neutrones que forman pares correlacionados de corto alcance en el núcleo de un átomo.

Datos iniciales
"Actualmente hay dos modelos principales que describen el efecto de EMC", dijo el Dr. Douglas Higinbotham, científico del personal del Laboratorio Nacional Thomas Jefferson y miembro de la Colaboración CLAS.

"Un modelo es que todos los protones y neutrones en un núcleo [y, por lo tanto, sus quarks] se modifican y todos se modifican de la misma manera".

“El otro modelo, que es en el que nos centramos en el estudio, es diferente. Dice que muchos protones y neutrones se comportan como si fueran libres, mientras que otros están involucrados en correlaciones de corto alcance y están altamente modificados".

"Los protones y neutrones de un átomo pueden emparejarse constantemente, pero solo momentáneamente, antes de separarse y seguir su camino por separado", dijo el Dr. Axel Schmidt, un investigador postdoctoral en el MIT.

"Durante esta breve interacción de alta energía, los quarks en sus respectivas partículas pueden tener un espacio más grande para interactuar."

“En la mecánica cuántica, cada vez que aumenta el volumen sobre el cual un objeto está confinado, se ralentiza. Si aprietas el espacio, se acelera. Eso es un hecho conocido".

El Estudio
El equipo analizó los datos de un experimento que se llevó a cabo en el detector CLAS de Jefferson Lab.

El instrumento produjo un haz de electrones de 5.01 GeV para sondear núcleos de carbono, aluminio, hierro y plomo en comparación con el deuterio.

El experimento se realizó durante varios meses y al final se acumularon miles de millones de interacciones entre los electrones y los quarks.

Los físicos calcularon la velocidad del quark en cada interacción, basándose en la energía del electrón después de dispersarse, luego compararon la velocidad promedio de los quarks entre los diversos átomos.

Al observar ángulos de dispersión mucho más pequeños, correspondientes a transferencias de momento de una longitud de onda diferente, pudieron "alejarse" para que los electrones dispersaran protones y neutrones más grandes, en lugar de los quarks.

Los pares correlacionados de corto alcance suelen ser extremadamente energéticos y, por lo tanto, dispersarían electrones a energías más altas que los protones y neutrones no emparejados, lo cual es una distinción que los investigadores usaron para detectar los pares correlacionados de corto alcance en cada material que estudiaron.

"Vemos que estos pares de alto impulso son la razón de estos quarks de movimiento lento", dijo el miembro del equipo, el Dr. Or Hen, también del MIT.

En particular, encontraron que los quarks en láminas con núcleos atómicos más grandes (y más pares de protones y neutrones) se movían un 20% más lento que el deuterio, el material con el menor número de pares.

"Estos pares de protones y neutrones tienen esta loca interacción de alta energía, muy rápidamente, y luego se disipan", dijo el Dr. Schmidt.

“En ese momento, la interacción es mucho más fuerte de lo normal y los nucleones tienen una importante superposición espacial. Así que pensamos que los quarks en este estado se ralentizan mucho”.

Conclusiones
Sus datos muestran por primera vez que la velocidad de un quark se reduce dependiendo de la cantidad de pares correlacionados de corto alcance en un núcleo atómico.

Los quarks en plomo, por ejemplo, eran mucho más lentos que esos en aluminio, que a su vez eran más lentos que esos en hierro, y así sucesivamente.

Comprender cómo interactúan los quarks es realmente la esencia de entender la materia visible en el Universo. Este efecto de EMC, aunque es del 10 al 20%, es tan fundamental que queremos entenderlo.

Crédito de la imagen: Jefferson Lab.

Referencia del documento científico:
B. Schmookler et al (colaboración CLAS). 2019. Estructura modificada de protones y neutrones en pares correlacionados. Nature, volumen 566, páginas 354–358 (2019); doi: 10.1038 / s41586-019-0925-9

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