Publicado en Ciencia Lunes, 04 Marzo 2019 05:05

Físicos por primera vez calculan la distribución de la presión del protón

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Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos conocidos del universo, y soportan presiones tan grandes que una cucharadita de material de una de estas estrellas equivaldría a aproximadamente 15 veces el peso de la luna. Sin embargo, resulta que los protones, las partículas fundamentales que constituyen la mayor parte de la materia visible en el universo, contienen presiones aún más altas.

Bueno, relacionado con este tema, un amigo físico, nos envía un artículo escrito por Jennifer Chu y publicado en un boletín digital del “Massachusetts Institute of Technology (MIT)” en donde se informa cómo por primera vez científicos del MIT calcularon la distribución de la presión de un protón y encontraron que la partícula contiene un núcleo altamente presurizado que, en su punto más intenso, está generando mayores presiones que las que se encuentran dentro de una estrella de neutrones.

Este núcleo empuja hacia afuera desde el centro del protón, mientras que la región circundante empuja hacia adentro. (Imagine una pelota de béisbol que intenta expandirse dentro de una pelota de fútbol que está colapsando). Las presiones compitiendo una contra otra actúan para estabilizar la estructura general del protón.

Los resultados generados por estos investigadores, publicados el 22 de febrero pasado en “Physical Review Letters”, representa la primera vez que los científicos calculan la distribución de la presión de un protón teniendo en cuenta las contribuciones de los quarks y los gluones, los componentes fundamentales y subnucleares del protón.

"La presión es un aspecto fundamental del protón del que sabemos muy poco en este momento", dice la autora principal Phiala Shanahan, profesora asistente de física en el MIT. "Ahora hemos encontrado que los quarks y los gluones en el centro del protón están generando una presión externa significativa, y ya cerca de los bordes, hay una presión extrema de confinamiento. Con este resultado, estamos acordándonos hacia una imagen completa de la estructura del protón. "


Shanahan realizó el estudio con el coautor William Detmold, profesor asociado de física en el MIT.


Los notables quarks


En mayo de 2018, los físicos del “Thomas Jefferson National Accelerator” del Departamento de Energía de los Estados Unidos anunciaron que habían medido la distribución de la presión del protón por primera vez, utilizando un haz de electrones que dispararon a un objetivo hecho de hidrógeno. Los electrones interactuaron con los quarks dentro de los protones en el objetivo. Luego, los físicos determinaron la distribución de la presión en todo el protón, según la forma en que los electrones se dispersaron del objetivo. Sus resultados mostraron un centro de alta presión en el protón que en su punto de mayor presión medía aproximadamente 1035 pascales, o 10 veces la presión dentro de una estrella de neutrones.

Sin embargo, Shanahan dice que su imagen de la presión del protón era incompleta.

"Encontraron un resultado bastante notable", dice Shanahan. "Pero ese resultado estuvo sujeto a una serie de suposiciones importantes que fueron necesarias debido a nuestra comprensión incompleta del fenómeno".

Específicamente, los investigadores basaron sus estimaciones de presión en las interacciones de los quarks de un protón, pero no en sus gluones. Los protones están formados por quarks y gluones, que interactúan continuamente de forma dinámica y fluctuante dentro del protón. El equipo de “Jefferson Lab” sólo pudo determinar las contribuciones de los quarks con su detector, lo que, según Shanahan, deja fuera gran parte de la contribución de la presión de un protón.


"En los últimos 60 años, hemos desarrollado una buena comprensión del papel de los quarks en la estructura del protón", dice. "Pero la estructura del gluón es mucho más difícil de entender, ya que es muy difícil de medir o calcular".


Una voltereta del gluon


En lugar de medir la presión de un protón utilizando aceleradores de partículas, Shanahan y Detmold intentaron incluir el papel de los gluones mediante el uso de supercomputadoras para calcular las interacciones entre los quarks y los gluones que contribuyen a la presión de un protón.


"Dentro de un protón, hay un vacío cuántico burbujeante de pares de quarks y antiquarks, así como gluones, que aparecen y desaparecen", dice Shanahan. "Nuestros cálculos incluyen todas estas fluctuaciones dinámicas".

 

Para hacer esto, el equipo empleó una técnica en física conocida como QCD de celosía, para la cromodinámica cuántica, que es un conjunto de ecuaciones que describe la fuerza fuerte, una de las tres fuerzas fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas. (Las otras dos son la fuerza débil y la electromagnética). La fuerza fuerte es lo que une a los quarks y los gluones para finalmente hacer un protón.


Los cálculos de QCD de celosía utilizan una matriz de cuatro dimensiones, o, valga la redundancia, celosía, de puntos para representar las tres dimensiones del espacio y una del tiempo. Los investigadores calcularon la presión dentro del protón usando las ecuaciones de la cromodinámica cuántica definidas en la red.

 

"Es enormemente exigente desde el punto de vista computacional, por lo que usamos las supercomputadoras más poderosas del mundo para hacer estos cálculos", explica Shanahan.


El equipo pasó unos 18 meses ejecutando varias configuraciones de quarks y gluones a través de varias supercomputadoras diferentes, luego determinó la presión promedio en cada punto desde el centro del protón, hasta su borde.


En comparación con los resultados de “Jefferson Lab”, Shanahan y Detmold encontraron que, al incluir la contribución de los gluones, la distribución de la presión en el protón cambió significativamente.

 

"Hemos visto la contribución del gluón a la distribución de la presión por primera vez, y podemos ver que, en relación con los resultados anteriores, el pico se ha vuelto más fuerte y la distribución de la presión se extiende más allá del centro del protón", dijo Shanahan.


En otras palabras, parece que la presión más alta en el protón es de alrededor de 1035 pascales, o 10 veces la de una estrella de neutrones, similar a lo que informaron los investigadores del Laboratorio Jefferson. La región circundante de baja presión se extiende más lejos de lo estimado previamente.

 

Confirmar estos nuevos cálculos requerirá detectores mucho más potentes, como “Electron-Ion Collider”, un acelerador de partículas propuesto que los físicos intentan usar para sondear las estructuras internas de protones y neutrones, con más detalle que nunca, incluidos los gluones.


"Estamos apenas iniciando la compresión cuantitativa del papel de los gluones en un protón", dice Shanahan. "Al combinar la contribución de los quarks medidos experimentalmente con nuestro nuevo cálculo de la pieza de gluón, tenemos la primera imagen completa de la presión del protón, que es una predicción que se puede probar en el nuevo colisionador en los próximos 10 años".


Fuente: http://news.mit.edu/2019/physicists-calculate-proton-pressure-distribution-0222

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