El interior del átomo se muestra por primera vez en una imagen de quarks y gluones

Comprender las estructuras internas del átomo ha sido uno de los desafíos de los físicos desde finales del siglo XIX. Sin embargo, la cuestión de de qué está hecha la materia se remonta a la Antigüedad cuando los filósofos empezaron a reflexionar sobre ella. En los últimos siglos, esta cuestión ha pasado por varias mentes brillantes que van desde Isaac Newton hasta Albert Einstein y contemporáneos como Bohr, Oppenheimer y Schrödinger.

En este siglo se llevaron a cabo experimentos en equipos con inversiones de miles de millones de dólares para profundizar aún más la comprensión de los átomos. Uno de estos equipos es el acelerador de partículas del CERN, el LHC, que actualmente es el acelerador de partículas más grande del mundo. El LHC se hizo famoso en 2013 cuando sus investigadores anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs.

Recientemente, un artículo publicado en Physical Review Letters donde investigadores de una colaboración para estudiar la estructura del átomo publicaron una imagen de quarks y gluones. La imagen proviene de experimentos realizados en diferentes aceleradores, incluidos datos obtenidos con el LHC. El experimento se basó en electrones acelerados a altas energías para obtener una especie de mapa del átomo.

La estructura del átomo

Aprendemos desde pequeños que un átomo está formado por partículas llamadas protones, electrones y neutrones. Los electrones son partículas negativas que se encuentran en una nube alrededor del centro del átomo que está formada por protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva mientras que los neutrones no tienen carga. Si bien los electrones son partículas fundamentales, los protones y neutrones no lo son.

Cada protón y electrón está formado por partículas aún más pequeñas llamadas quarks. El tipo de quark varía con un protón formado por tres quarks, dos de tipo “arriba” y uno de tipo “abajo”. El neutrón está formado por dos quarks de tipo “abajo” y uno de tipo “arriba”. Otra partícula es parte de esta interacción y se llama gluón que media la interacción fuerte manteniendo los protones y neutrones dentro del núcleo.

Quarks y gluones

Los quarks que forman la parte más interna de los protones y neutrones se llaman fermiones y tienen seis tipos diferentes. El tipo de cada quark se llama sabor y puede ser arriba, abajo, encantador, extraño, superior e inferior. La carga y la masa de partículas, como protones y neutrones, dependen de cómo están dispuestos los quarks y del tipo de quark que está presente en su interior.

La conexión entre quarks para formar la estructura de un protón o un neutrón se realiza a través de una partícula mediadora llamada gluón. Cuando dos quarks se separan, la interacción aumenta creando tensión como una banda elástica estirada. Además, los quarks también tienen un tipo de carga que se conoce como carga de color, la suma de las cargas de color de una partícula es cero.

Experimento

Una forma de comprender y mapear la estructura del átomo es mediante colisiones con electrones de diferente energía. Los experimentos más famosos consisten en utilizar electrones acelerados a diferentes velocidades y lanzarlos hacia los átomos. En el caso de energías más bajas, los electrones interactúan con partículas cargadas como protones y otros electrones.

Cuando se aceleran a energías más altas, como las que se dan en aceleradores de partículas como el LHC, es posible observar la interacción con quarks y gluones. Uno de los resultados de estos experimentos es que los gluones y los quarks se comportan juntos y no de forma aislada. Es como si existiera una región formada por quarks y gluones y estudiar estas regiones es importante para comprender sus propiedades.

Primera imagen

En los datos obtenidos del LHC, un grupo de investigadores analizó los resultados de electrones energéticos disparados contra átomos. Con esto lograron obtener una función que describe cómo es la estructura dentro del átomo. En física de partículas, comprender la distribución a través de las colisiones de átomos es la mejor manera de hacerse una idea de cómo funciona la estructura.

En total, estudiaron 18 núcleos atómicos y las distribuciones de estructuras de quarks y gluones, tanto correlacionadas como no correlacionadas. Los resultados confirmaron la observación conocida de experimentos de baja energía de que la mayoría de los pares correlacionados son pares protón-neutrón. Este enfoque proporciona una mejor descripción de los datos experimentales que los métodos tradicionales.

Fuentes y referencias de la noticia:

- Denniston et al. 2024 Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs Physical Review Letters