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El experimento encontró la masa de un gluón en un protón.

El experimento encontró la masa de un gluón en un protón.

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El radio de masa de un protón es más pequeño que el radio de la carga eléctrica (núcleo denso), mientras que una nube de actividad estándar de gluones se extiende más allá del radio de carga. Este descubrimiento podría arrojar luz sobre el confinamiento y la distribución de masas en el protón. Crédito: Laboratorio Nacional de Argonne

Los físicos nucleares finalmente pueden haber señalado dónde reside gran parte de su masa en un protón. Un experimento reciente llevado a cabo en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. reveló el radio de masa de un protón generado por la fuerza fuerte cuando pega los quarks formadores de protones. El resultado fue publicado recientemente en naturaleza.

Uno de los mayores misterios del protón es el origen de su masa. Resulta que la masa medida de un protón no solo proviene de sus componentes físicos, los llamados tres quarks de valencia.

«Si sumas las masas de quarks del modelo estándar en un protón, solo obtienes una pequeña fracción de la masa del protón», explicó el co-orador del experimento Sylvester Justin, físico experimental en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

Durante las últimas décadas, los físicos nucleares han llegado a la conclusión provisional de que la masa del protón proviene de varias fuentes. Primero, obtiene algo de masa de las masas de sus quarks y algo más de masa de sus movimientos. Luego, obtienes una masa de energía de fuerza fuerte que une esos quarks, y esa fuerza se manifiesta como «gluones». Finalmente, obtienes una gran cantidad de interacciones dinámicas de quarks y gluones de protones.

Esta nueva medida finalmente puede haber arrojado algo de luz sobre la masa generada por los gluones de protones al ubicar el material que generan estos gluones. Este radio del núcleo de la materia se encuentra en el centro del protón. El resultado también parece indicar que este núcleo tiene un tamaño diferente al radio de carga bien medido de un protón, una cantidad que a menudo se usa como indicador del tamaño de un protón.

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Mark Jones, portavoz del experimento, dijo Mark Jones, A&C Halls en Jefferson Lab Commander.

Según el coautor del experimento, Zainuddin Maziani, científico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía, este hallazgo en realidad fue una sorpresa.

«Lo que encontramos es algo que realmente no esperábamos que saliera de esta manera”, dijo Mizziani. «El objetivo original de este experimento era buscar un pentaquark que había sido informado por investigadores del CERN».

El experimento se realizó en la Sala Experimental C en la instalación del acelerador de haz de electrones continuos del Laboratorio Jefferson, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. En el experimento, se enviaron 10,6 GeV (mil millones de electronvoltios) desde el acelerador CEBAF a un pequeño bloque de cobre. Los electrones fueron ralentizados o desviados por la masa, lo que provocó que emitieran radiación bremstrahlung como fotones. Este haz de fotones luego golpea los protones dentro del objetivo de hidrógeno líquido. Los detectores midieron los restos de estas interacciones, como electrones y positrones.

Los experimentadores estaban interesados ​​en aquellas interacciones que producían J/partículas entre núcleos de protones de hidrógeno. La efímera J/maison está hecha de quarks encanto/antimagia. Una vez formado, decae rápidamente en un par electrón/positrón.

Entre los miles de millones de interacciones, los experimentadores han encontrado alrededor de 2000 partículas/partículas en mediciones de sección transversal de estas interacciones al confirmar pares simultáneos de electrones/positrones.

«Es similar a lo que hemos estado haciendo todo este tiempo. Mediante la dispersión elástica de un electrón en un protón, tenemos la distribución de carga del protón», dijo Jones. «En este caso, hemos producido J/s exclusivos del protón y obtenemos una distribución de gluones en lugar de una distribución de carga».

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Luego, los colaboradores pudieron introducir estas medidas de sección transversal en modelos teóricos que describen los factores de forma gravitacionales gluónicos de un protón. Los factores de forma de gluones describen las propiedades mecánicas de un protón, como su masa y presión.

«Había dos cantidades, conocidas como factores de forma gravitacionales, que pudimos extraer porque teníamos acceso a estos dos modelos: el modelo de distribución parcial generalizada y el modelo de cromodinámica cuántica holográfica (QCD). Y comparamos los resultados de cada uno de estos modelos con cálculos de celosía QCD».

A partir de dos conjuntos diferentes de tales cuantos, los experimentadores determinaron los radios de masa de gluones mencionados anteriormente dominados por gluones similares a los gravitones, así como un radio más grande de atractivos gluones escalares que se extienden más allá y confinan los quarks en movimiento.

«Uno de los hallazgos más desconcertantes de nuestro experimento es que, en una aproximación del modelo teórico, nuestros datos indican una distribución escalar de gluones que se extiende mucho más allá del radio electromagnético del protón», dijo Justin. «Para comprender completamente estas nuevas observaciones y sus implicaciones para nuestra comprensión del confinamiento, necesitaremos una nueva generación de J/experimentos de alta resolución».

Una posibilidad para una mayor exploración de este desconcertante nuevo hallazgo es el programa de prueba del dispositivo solenoide de gran intensidad, llamado SoLID. El programa SoLID aún se encuentra en la etapa de propuesta. Si se aprueba para seguir adelante, los experimentos con el dispositivo SoLID proporcionarán una nueva perspectiva de la física J/L.

«El próximo gran paso es medir la producción de J/ usando un detector SoLID. Será capaz de realizar mediciones de muy alta resolución en esta región. Uno de los pilares principales de este programa es la producción de J/, junto con las mediciones de distribución de momento tangencial y la paridad que viola las medidas de dispersión inelástica profunda”, dijo Jones.

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Jones, Justin y Mizani representan una colaboración experimental de más de 50 físicos nucleares de 10 instituciones. Los oradores también quieren destacar a Porco Duran, autor principal e investigador postdoctoral en la Universidad de Tennessee, Knoxville. Doran describió esta experiencia en su tesis doctoral. tesis como estudiante de posgrado en la Universidad de Temple, y fue la fuerza impulsora detrás del análisis de datos.

La colaboración realizó el experimento durante unos 30 días entre febrero y marzo de 2019. Están de acuerdo en que este nuevo hallazgo es intrigante y dicen que todos esperan resultados futuros que arrojen más luz sobre los atisbos de la nueva física que indica.

«En resumen, para mí, hay emoción en este momento. ¿Podemos encontrar una manera de confirmar lo que estamos viendo? ¿Se mantendrá esta nueva información de imagen?» Meziane dijo. «Pero para mí, eso es realmente muy emocionante. Porque si pienso ahora en un protón, ahora tenemos más información que nunca».

más información:
Zinedine Meziani, Determinación de los factores de forma gravitacionales gluónicos del protón, naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4. www.nature.com/articles/s41586-023-05730-4

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