Los físicos del MIT tienen ahora una respuesta a una pregunta de la física nuclear que ha desconcertado a los científicos durante tres décadas: ¿Por qué los quarks se mueven más lentamente dentro de los átomos más grandes?

Los quarks, junto con los gluones, son los bloques de construcción fundamentales del universo. Estas partículas subatómicas -las más pequeñas que conocemos- son mucho más pequeñas, y funcionan 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 del átomo en general, en el que reside.

Pero en 1983, los físicos del CERN, como parte de la Colaboración Europea de Muones (EMC), observaron por primera vez 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 despacio que los quarks en el deuterio, que contiene un solo protón y neutrón. Desde entonces, los físicos han encontrado más pruebas de que cuanto más grande es el núcleo de un átomo, más lentos son los quarks que se mueven en su interior.

«La gente lleva 35 años devanándose los sesos, tratando de explicar por qué se produce este efecto», dice Or Hen, profesor adjunto de física en el MIT.

Ahora Hen, Barak Schmookler y Axel Schmidt, estudiante de posgrado y postdoctorado en el Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT, han dirigido un equipo internacional de físicos para identificar una explicación del efecto EMC. Han descubierto que la velocidad de un quark depende del número de protones y neutrones que forman pares correlacionados de corto alcance en el núcleo de un átomo. Cuantos más pares de este tipo haya en un núcleo, más lentamente se mueven los quarks dentro de los protones y neutrones del átomo.

Schmidt dice que los protones y neutrones de un átomo pueden emparejarse constantemente, pero sólo momentáneamente, antes de separarse y seguir caminos distintos. Durante esta breve interacción de alta energía, cree que los quarks de sus respectivas partículas pueden tener un «espacio más grande para jugar»

«En la mecánica cuántica, cada vez que se aumenta el volumen sobre el que está confinado un objeto, éste se ralentiza», dice Schmidt. «Si reduces el espacio, se acelera. Es un hecho conocido».

Como los átomos con núcleos más grandes tienen intrínsecamente más protones y neutrones, también es más probable que tengan un mayor número de pares protón-neutrón, también conocidos como pares «correlacionados de corto alcance» o SRC. Por lo tanto, el equipo concluye que cuanto más grande sea el átomo, más pares es probable que contenga, lo que da lugar a quarks que se mueven más lentamente en ese átomo en particular.

Schmookler, Schmidt y Hen como miembros de la Colaboración CLAS en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, han publicado sus resultados hoy en la revista Nature.

De una sugerencia a una imagen completa

En 2011, Hen y sus colaboradores, que han centrado gran parte de su investigación en los pares SRC, se preguntaron si este acoplamiento efímero tenía algo que ver con el efecto EMC y la velocidad de los quarks en los núcleos atómicos.

Reunieron datos de varios experimentos con aceleradores de partículas, algunos de los cuales medían el comportamiento de los quarks en ciertos núcleos atómicos, mientras que otros detectaban pares SRC en otros núcleos. Cuando representaron los datos en un gráfico, apareció una tendencia clara: Cuanto más grande era el núcleo de un átomo, más pares SRC había, y más lentos eran los quarks que se medían. El núcleo más grande de los datos -el oro- contenía quarks que se movían un 20 por ciento más lentamente que los del núcleo más pequeño medido, el helio.

«Esta fue la primera vez que se sugirió concretamente esta conexión», dice Hen. «Pero teníamos que hacer un estudio más detallado para construir una imagen física completa».

Así que él y sus colegas analizaron los datos de un experimento que comparaba átomos de diferentes tamaños y permitía medir tanto la velocidad de los quarks como el número de pares SRC en el núcleo de cada átomo. El experimento se llevó a cabo en el Gran Espectrómetro de Aceptación CEBAF, o detector CLAS, un enorme acelerador de partículas esférico de cuatro pisos en el Laboratorio Nacional Thomas Jefferson en Newport News, Virginia.

Dentro del detector, Hen describe la configuración del objetivo del equipo como una «especie de Frankenstein», con brazos mecánicos, cada uno de los cuales sujetaba una fina lámina de un material diferente, como el carbono, el aluminio, el hierro y el plomo, cada uno de los cuales estaba formado por átomos que contenían 12, 27, 67 y 208 protones y neutrones, respectivamente. Un recipiente adyacente contenía deuterio líquido, con átomos que contenían el menor número de protones y neutrones del grupo.

Cuando querían estudiar una lámina en particular, enviaban una orden al brazo correspondiente para que bajara la lámina de interés, siguiendo la célula de deuterio y directamente en la trayectoria del haz de electrones del detector. Este haz disparó electrones a la célula de deuterio y a la lámina sólida, a una velocidad de varios miles de millones de electrones por segundo. Aunque la inmensa mayoría de los electrones no alcanzan los objetivos, algunos chocan con los protones o neutrones del núcleo, o con los propios quarks, mucho más pequeños. Cuando chocan, los electrones se dispersan ampliamente, y los ángulos y energías con los que se dispersan varían en función de lo que chocan, información que capta el detector.

Sintonización de electrones

El experimento se desarrolló durante varios meses y al final acumuló miles de millones de interacciones entre electrones y quarks. Los investigadores calcularon la velocidad del quark en cada interacción, basándose en la energía del electrón después de su dispersión, y luego compararon la velocidad media del quark entre los distintos átomos.

Al observar ángulos de dispersión mucho más pequeños, correspondientes a transferencias de momento de una longitud de onda diferente, el equipo pudo «ampliar» para que los electrones se dispersaran de los protones y neutrones más grandes, en lugar de los quarks. Los pares SRC suelen ser extremadamente energéticos y, por lo tanto, dispersarían los electrones a energías más altas que los protones y neutrones no apareados, que es una distinción que los investigadores utilizaron para detectar los pares SRC en cada material que estudiaron.

«Vemos que estos pares de alto impulso son la razón de estos quarks de movimiento lento», dice Hen.

En particular, descubrieron que los quarks en las láminas con núcleos atómicos más grandes (y más pares protón-neutrón) se movían como máximo un 20 por ciento 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», dice Schmidt. «En ese tiempo, la interacción es mucho más fuerte de lo normal y los nucleones tienen una superposición espacial significativa. Así que pensamos que los quarks en este estado se ralentizan mucho».

Sus datos muestran por primera vez que lo que se ralentiza la velocidad de un quark depende del número de pares SRC en un núcleo atómico. Los quarks del plomo, por ejemplo, eran mucho más lentos que los del aluminio, que a su vez eran más lentos que los del hierro, y así sucesivamente.

El equipo está diseñando ahora un experimento en el que esperan detectar la velocidad de los quarks, específicamente en los pares SRC.

«Queremos aislar y medir los pares correlacionados, y esperamos que eso arroje esta misma función universal, en el sentido de que la forma en que los quarks cambian su velocidad dentro de los pares es la misma en el carbono y en el plomo, y debería ser universal en todos los núcleos», dice Schmidt.

En última instancia, la nueva explicación del equipo puede ayudar a iluminar diferencias sutiles pero importantes en el comportamiento de los quarks, los bloques de construcción más básicos del mundo visible. Los científicos tienen una comprensión incompleta de cómo estas diminutas partículas llegan a construir los protones y los neutrones que luego se unen para formar los átomos individuales que componen todo el material que vemos en el universo.

«Entender cómo interactúan los quarks es realmente la esencia de la comprensión de la materia visible en el universo», dice Hen. «Este efecto EMC, aunque sea del 10 al 20 por ciento, es algo tan fundamental que queremos entenderlo».

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencias.

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