los campos que lo acompañan. Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory.
Si dividieras las partículas que componen tu cuerpo en trozos cada vez más pequeños, encontrarías que en cada paso del camino -al menos en términos de masa- el todo era igual a la suma de sus partes. Si se divide el cuerpo en huesos, grasa y órganos, se obtiene un ser humano completo. Si lo dividimos aún más, en células, las células seguirían sumando la misma masa que tú. Las células pueden dividirse en orgánulos, los orgánulos en moléculas individuales, las moléculas en átomos y los átomos en protones, neutrones y electrones. A ese nivel, hay una diferencia minúscula pero notable: los protones, neutrones y electrones individuales se alejan aproximadamente un 1% de un humano, gracias a la energía de enlace nuclear.
aproximadamente un 0,8% menos que los protones y neutrones individuales que lo componen, gracias a la energía de enlace nuclear. Crédito de la imagen: Delia Walsh de http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Un átomo de carbono, formado por seis protones y seis neutrones, es aproximadamente un 0,8% más ligero que las partículas individuales que lo componen. La forma en que se forma el carbono es a través de la fusión nuclear del hidrógeno en helio y luego del helio en carbono; la energía liberada es lo que impulsa a la mayoría de los tipos de estrellas tanto en su fase normal como en la de gigante roja, y la «masa perdida» es de donde proviene esa energía, gracias a E = mc2 de Einstein. Así es como funcionan la mayoría de los tipos de energía vinculante: la razón por la que es más difícil separar varias cosas que están unidas es porque liberaron energía cuando se unieron, y hay que poner energía para liberarlas de nuevo.
Por eso es un hecho tan desconcertante que cuando se echa un vistazo a las partículas que componen el protón -los tres quarks diferentes que lo componen- sus masas combinadas son sólo el 0,2% de la masa del protón en su conjunto.
(en MeV) en la parte superior derecha. Un protón, formado por dos quarks up y un quark down, tiene una masa de ~938 MeV/c^2. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Oficina de Ciencia, Departamento de Energía de los Estados Unidos, Grupo de Datos de Partículas, bajo una licencia c.c.a.-3.0 no reportada.
La forma en que los quarks se unen a los protones es fundamentalmente diferente de todas las demás fuerzas e interacciones que conocemos. En lugar de que la fuerza se haga más fuerte cuando los objetos se acercan – como las fuerzas gravitacionales, eléctricas o magnéticas – la fuerza de atracción se reduce a cero cuando los quarks se acercan arbitrariamente. Y en lugar de que la fuerza se debilite cuando los objetos se alejan, la fuerza que atrae a los quarks se hace más fuerte cuanto más se alejan.
Esta propiedad de la fuerza nuclear fuerte se conoce como libertad asintótica, y las partículas que median esta fuerza se conocen como gluones. De alguna manera, la energía que une al protón, el otro 99,8% de la masa del protón, proviene de estos gluones.
conectados por gluones (en forma de resorte), la estructura del protón es mucho más complicada, con quarks (mar) adicionales y gluones poblando el interior del protón. Crédito de la imagen: el Sincrotrón Alemán de Electrones (DES), y las colaboraciones HERA y ZEUS.
Debido al funcionamiento de la fuerza nuclear fuerte, existen grandes incertidumbres en cuanto a la ubicación real de estos gluones en cualquier momento. Actualmente tenemos un modelo sólido de la densidad media de gluones en el interior de un protón, pero si queremos saber dónde es más probable que se encuentren los gluones, eso requiere más datos experimentales, así como mejores modelos con los que comparar los datos. Los recientes avances de los teóricos Björn Schenke y Heikki Mäntysaari podrían proporcionar esos modelos tan necesarios. Como detalló Mäntysaari:
Se sabe con mucha precisión cuán grande es la densidad media de gluones dentro de un protón. Lo que no se sabe es exactamente dónde se encuentran los gluones dentro del protón. Nosotros modelamos los gluones como situados alrededor de los tres quarks. A continuación, controlamos la cantidad de fluctuaciones representadas en el modelo estableciendo el tamaño de las nubes de gluones y la distancia entre ellas.
gluones, y se muestra el espín del quark. Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory.
Cuando colisionan dos partículas como los protones, un protón y un ion pesado, o dos iones pesados juntos, no se pueden modelar simplemente como colisiones protón-protón. En su lugar, se ve una distribución de tres tipos de colisiones: colisiones quark-quark, colisiones quark-gluón o colisiones gluón-gluón. Son los componentes dentro de estas partículas subatómicas los que realmente colisionan, en lugar de las estructuras completas (los protones) en sí. Mientras que en las energías más bajas son casi siempre los quarks los que colisionan, las energías más altas alcanzadas por el RHIC, el Colisionador Relativista de Iones Pesados, en Brookhaven y por el LHC en el CERN tienen una probabilidad muy alta de interacciones gluón-gluón, con el potencial de revelar la ubicación de los gluones dentro del propio protón. Como continuó Mäntysaari:
Este proceso no ocurre en absoluto si el protón tiene siempre el mismo aspecto. Cuantas más fluctuaciones tengamos, más probable es que se produzca este proceso.
de un protón, incluyendo cómo se distribuyen los quarks «marinos» y los gluones, se ha conseguido gracias tanto a las mejoras experimentales como a los nuevos desarrollos teóricos en tándem. Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory.
La combinación de este nuevo modelo teórico y los datos del LHC, cada vez más perfeccionados, permitirá a los científicos comprender mejor la estructura interna y fundamental de los protones, los neutrones y los núcleos en general y, por tanto, entender de dónde procede la masa de los objetos conocidos en el Universo. Sin embargo, la mayor ayuda para este tipo de investigación sería el desarrollo de un Colisionador de Iones y Electrones (EIC), un colisionador propuesto por muchas colaboraciones en todo el mundo. A diferencia del RHIC o del LHC, que colisionan protones con iones -lo que da lugar a una señal final muy desordenada-, un EIC estaría mucho más controlado, ya que no hay movimientos internos e incontrolables dentro de un electrón que puedan confundir los resultados experimentales.
colisionador (EIC). Añadiendo un anillo de electrones (rojo) al Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Brookhaven se crearía el eRHIC. Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group.
Si se quiere estudiar la estructura interna de un protón o de un conjunto de núcleos, la dispersión inelástica profunda es el único camino a seguir. Teniendo en cuenta que los colisionadores comenzaron ese camino hace menos de un siglo, y que ahora estamos alcanzando energías aproximadamente un factor de 10.000 más que cuando empezamos, sondear y comprender exactamente cómo la materia obtiene su masa puede estar finalmente a nuestro alcance. El plasma de quarks-gluones dentro del núcleo, y las fluctuaciones que lo acompañan, pueden estar finalmente listos para revelarnos sus secretos. Y cuando lo haga, uno de los misterios más antiguos de la física, el de la procedencia de la masa de la materia conocida (que sigue siendo un misterio incluso tras el descubrimiento del bosón de Higgs), podría finalmente ceder ante la humanidad.
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