Durante décadas, los físicos nucleares han trabajado para desentrañar los misteriosos orígenes del giro de los protones. Y según un nuevo estudio, finalmente parecen haber logrado algunos avances.
Al combinar datos experimentales con cálculos modernos, los investigadores han revelado una imagen más detallada de las contribuciones de espín del propio pegamento que mantiene unidos a los protones, allanando el camino para obtener imágenes de la estructura de los protones en 3D.
La naturaleza desconcertante del giro de los protones
El misterio del espín del protón comenzó en 1987, cuando las mediciones revelaron que los componentes básicos del protón, los quarks, proporcionaban sólo alrededor del 30% del espín total del protón medido. Este descubrimiento inesperado dejó a los físicos preguntándose sobre las fuentes del espín restante.
Otras dos posibles fuentes han resultado más difíciles de medir: la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo que «pega» los quarks, y los movimientos de los quarks y gluones del protón.
Se cree que los gluones, manifestaciones de la fuerza fuerte, contribuyen al giro del protón, pero la naturaleza exacta de su contribución ha sido objeto de investigaciones en curso.
Combinando dos enfoques
Este nuevo estudio fue dirigido por Joseph Carby, becario postdoctoral del Centro de Física Teórica y Computacional de UCLA. Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson.
El estudio de Carpi se inspiró en un resultado desconcertante de mediciones experimentales preliminares del giro de los gluones en Colisionador relativista de iones pesadosuna instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE con sede en el Laboratorio Nacional Brookhaven.
Inicialmente, los datos parecían indicar que los gluones podrían contribuir positivamente al giro del protón, pero a medida que mejoró el análisis, también se hizo posible una contribución negativa.
Supercomputadoras y teorías simplificadas del espín de protones
Mientras tanto, la colaboración Hadstruck estaba procesando las mismas mediciones utilizando supercomputadoras para calcular la teoría fundamental, la cromodinámica cuántica (QCD), que describe las interacciones entre quarks y gluones en el protón.
Para equipar las supercomputadoras para estos cálculos intensivos, los teóricos utilizan una versión algo simplificada de QCD llamada QCD de celosía.
Carpi dirigió el trabajo para recopilar datos de ambos grupos, combinando datos experimentales de instalaciones de todo el mundo con resultados de cálculos QCD cuadriculados.
Como explicó David Richards, científico senior del Laboratorio Jefferson que trabajó en el estudio: «Esta es una recopilación de todo lo que sabemos sobre el espín de los quarks y los gluones y cómo los gluones contribuyen al espín de los protones en una dimensión».
Colaboración y conjunto de datos.
Conclusiones clave del estudio, publicado en Revisión física des que la combinación de datos de ambos enfoques proporcionó un resultado más informado.
«Combinamos los dos conjuntos de datos y obtenemos un mejor resultado que el que cualquiera de nosotros podría haber obtenido de forma independiente», dijo Carby. «Realmente demuestra que aprendemos mucho al combinar la QCD reticular y experimentar juntos para analizar un solo problema».
El siguiente paso es seguir mejorando los conjuntos de datos a medida que experimentos más potentes proporcionen información más detallada sobre el protón y los teóricos aprendan cómo mejorar sus cálculos en supercomputadoras más potentes. El objetivo es lograr finalmente una comprensión tridimensional de la estructura del protón.
Richards enfatizó la importancia de este trabajo para lograr una comprensión más integral y dijo: «Este trabajo contribuirá a esta imagen tridimensional de cómo debería verse un protón. Así que se trata de construir nuestro camino hacia el núcleo del problema haciendo estos cosas más fáciles ahora.»
Una nueva era en la investigación del espín de protones
En resumen, el estudio de Joseph Karpe ha dado un paso importante hacia desentrañar el misterio del espín de los protones al combinar datos experimentales con sofisticados cálculos de QCD de red.
Este enfoque colaborativo ha proporcionado una imagen más detallada de las contribuciones de espín de los gluones y ha sentado las bases para futuras investigaciones destinadas a obtener imágenes de la estructura tridimensional del protón.
A medida que se disponga de experimentos y cálculos más avanzados, los investigadores seguirán basándose en este trabajo, acercándose a una comprensión integral de los componentes fundamentales de la materia.
El poder de la colaboración y la integración de diversos conjuntos de datos ha demostrado ser clave para desbloquear los misterios del protón, y este estudio es un testimonio de la importancia de los esfuerzos interdisciplinarios para avanzar en nuestro conocimiento del mundo subatómico.
El estudio completo fue publicado en la revista Revisión física d.
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