Un experimento que lleva más de 10 años en desarrollo ha permitido vislumbrar por primera vez el huracán de partículas que zumban dentro de partículas subatómicas llamadas neutrones, sentando las bases para resolver un misterio en lo profundo del corazón de la materia.
Los datos del Detector Central de Neutrones de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson (TJNAF) del Departamento de Energía de EE. UU. ya están desempeñando un papel en la descripción del mapa cuántico del motor de neutrones.
“Es un resultado bastante importante para el estudio de los nucleones”, dice Silvia Niccolai, directora de investigación del Centro Nacional Francés de Investigación Científica.
Lo que consideramos el núcleo de un átomo es una colmena de partículas aún más pequeñas llamadas quarks que luchan contra un pegajoso intercambio de gluones. Dondequiera que dos quarks de un sabor llamado “arriba” estén unidos a un sabor llamado “abajo”, encontrarás un protón. Si son dos quarks abajo y uno arriba, obtendrás un neutrón.
Describir tríos de quarks de esa manera los hace parecer tan organizados como huevos en una caja de cartón. En verdad, su existencia no está nada convenientemente organizada, con una tormenta caótica de partículas y antipartículas que existen y no existen en la competencia cuántica.
Para captar las distribuciones y movimientos de enjambres de quarks en sus grilletes de gluones, los físicos tradicionalmente han disparado partículas nucleares con electrones y observado cómo rebotan las diminutas balas. Para que los resultados de estos experimentos sean más fáciles de describir, los teóricos se refieren a las unidades de quarks y gluones que operan bajo distintos marcos cuánticos como partones.
En las últimas décadas, los experimentos con aceleradores de partículas de alta energía utilizando el espectrómetro de gran aceptación CEBAF y su actualización en TJNAF han descifró el rompecabezas del partón del protón, resolviendo misterios que incluyen una discrepancia confusa entre la masa y el tamaño del nucleón.
Los neutrones han sido un hueso más difícil de romper, liberando su metralla de electrones en ángulos fuera del alcance del detector del espectrómetro.
“En la configuración estándar no era posible detectar neutrones en estos ángulos”, dice Nicolai.
En 2011, comenzó la construcción de un nuevo detector en colaboración con el CNRS, que finalmente se instaló en 2017, antes de ponerse a prueba en las pruebas experimentales iniciales en 2019 y 2020.
Lejos de ser fácil, el diseño del experimento permitió que algún protón ocasional se colara y contaminara los resultados. Sólo después de una cierta limpieza de un filtro de aprendizaje automático diseñado específicamente se pudieron aplicar finalmente los números a los modelos teóricos sobre la actividad de neutrones.
El primer estudio que utilizó los datos impuso limitaciones muy necesarias a una de las distribuciones de partones en neutrones menos comprendidas, conocida como distribución generalizada de partones (GPD) E.
Al comparar los resultados del experimento con datos anteriores sobre protones, los investigadores utilizaron las diferencias en los quarks para distinguir una característica matemática significativa del GPD E de un modelo similar.
“El GPD E es muy importante porque puede darnos información sobre la estructura de espín de los nucleones”, dice Nicolai.
El espín en un sentido cuántico encapsula una cualidad similar a momento angular en nuestro mundo cotidiano. Mediciones anteriores de los espines de los quarks que forman protones y neutrones encontraron que estas características contribuyen no más de alrededor del 30 por ciento del espín total del nucleón, lo que lleva al llamado crisis de giro.
De dónde viene la fracción restante, ya sea de interacciones con gluones o algún otro comportamiento menos comprendido, es una cuestión que experimentos futuros finalmente podrían resolver.
Tener un medio para comparar con precisión los motores gemelos que arden en el corazón de los átomos conducirá casi con seguridad a nuevos conocimientos fascinantes sobre la mecánica cuántica.
Esta investigación se publica en Cartas de revisión física.