Los físicos han comenzado a explorar el protón como si fuera un planeta subatómico. Los mapas en corte muestran detalles recién descubiertos del interior de la partícula. El núcleo del protón presenta presiones más intensas que en cualquier otra forma conocida de materia. A mitad de camino hacia la superficie, los vórtices de fuerza chocan unos contra otros. Y el “planeta” en su conjunto es más pequeño de lo que habían sugerido experimentos anteriores.

Las investigaciones experimentales marcan la siguiente etapa en la búsqueda para comprender la partícula que ancla cada átomo y constituye la mayor parte de nuestro mundo.

"Realmente lo consideramos como la apertura de una dirección completamente nueva que cambiará nuestra forma de ver la estructura fundamental de la materia", dijo Latifa Elouadrhiri, físico de las Instalaciones del Acelerador Nacional Thomas Jefferson en Newport News, Virginia, que participa en el esfuerzo.

Los experimentos literalmente arrojan una nueva luz sobre el protón. Durante décadas, los investigadores han mapeado meticulosamente la influencia electromagnética de la partícula cargada positivamente. Pero en la nueva investigación, los físicos del Laboratorio Jefferson están mapeando la influencia gravitacional del protón, es decir, la distribución de energías, presiones y tensiones cortantes, que doblan el tejido espacio-temporal dentro y alrededor de la partícula. Los investigadores lo hacen explotando una forma peculiar en la que pares de fotones, partículas de luz, pueden imitar un gravitón, la partícula hipotética que transmite la fuerza de gravedad. Al hacer ping al protón con fotones, infieren indirectamente cómo interactuaría la gravedad con él, haciendo realidad un sueño de décadas de interrogar al protón de esta manera alternativa.

"Es un tour de force", dijo Cédric Lorcé, un físico de la Escuela Politécnica de Francia que no participó en el trabajo. "Experimentalmente, es extremadamente complicado". 

De fotones a gravitones

Los físicos han aprendido muchísimo sobre el protón durante los últimos 70 años al golpearlo repetidamente con electrones. Saben que su carga eléctrica se extiende aproximadamente 0.8 femtómetros, o cuatrillones de metro, desde su centro. Saben que los electrones entrantes tienden a rebotar en uno de los tres quarks (partículas elementales con fracciones de carga) que zumban en su interior. También han observado la consecuencia profundamente extraña de la teoría cuántica: en colisiones más fuertes, los electrones parecen chocar. encontrar un mar espumoso compuesto por muchos más quarks y gluones, los portadores de la llamada fuerza fuerte, que une a los quarks.

Toda esta información proviene de una única configuración: disparas un electrón a un protón y las partículas intercambian un solo fotón (el portador de la fuerza electromagnética) y se empujan entre sí. Esta interacción electromagnética les dice a los físicos cómo los quarks, como objetos cargados, tienden a organizarse. Pero el protón es mucho más que su carga eléctrica.

"¿Cómo se distribuyen la materia y la energía?" preguntó Pedro Schweitzer, físico teórico de la Universidad de Connecticut. "No lo sabemos".

Schweitzer ha pasado la mayor parte de su carrera pensando en el lado gravitacional del protón. Específicamente, está interesado en una matriz de propiedades del protón llamada tensor de energía-momento. "El tensor de energía-momento sabe todo lo que hay que saber sobre la partícula", dijo.

En la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, que proyecta la atracción gravitacional como objetos que siguen curvas en el espacio-tiempo, el tensor de energía-momento le dice al espacio-tiempo cómo doblarse. Describe, por ejemplo, la disposición de la energía (o, equivalentemente, de la masa), la fuente de la mayor parte de la torsión del espacio-tiempo. También rastrea información sobre cómo se distribuye el impulso, así como dónde habrá compresión o expansión, lo que también puede curvar ligeramente el espacio-tiempo.

Si pudiéramos aprender la forma del espacio-tiempo que rodea a un protón, Ruso y American Los físicos elaboraron de forma independiente en la década de 1960, podríamos inferir todas las propiedades indexadas en su tensor de energía-momento. Entre ellos se incluyen la masa y el giro del protón, que ya se conocen, junto con la disposición de las presiones y fuerzas del protón, una propiedad colectiva a la que los físicos se refieren como el "término Druck", por la palabra que significa presión en alemán. Este término es "tan importante como masa y espín, y nadie sabe qué es", dijo Schweitzer, aunque eso está empezando a cambiar.

En los años 60, parecía que medir el tensor de energía-momento y calcular el término de Druck requeriría una versión gravitacional del experimento de dispersión habitual: se dispara una partícula masiva a un protón y se deja que los dos intercambien un gravitón, la partícula hipotética. eso forma ondas gravitacionales, en lugar de un fotón. Pero debido a la extrema debilidad de la gravedad, los físicos esperan que la dispersión de gravitones ocurra 39 órdenes de magnitud menos que la dispersión de fotones. Los experimentos no pueden detectar un efecto tan débil.

“Recuerdo haber leído sobre esto cuando era estudiante”, dijo Volker Burkert, miembro del equipo del Laboratorio Jefferson. La conclusión fue que "probablemente nunca podremos aprender nada sobre las propiedades mecánicas de las partículas".

Gravedad sin gravedad

Los experimentos gravitacionales todavía hoy son inimaginables. Pero las investigaciones realizadas a finales de los años 1990 y principios de los años 2000 por los físicos Xiangdong Ji y, trabajando por separado, el fallecido Maxim Polyakov revelado a solución alternativa.

El esquema general es el siguiente. Cuando disparas un electrón ligeramente a un protón, normalmente entrega un fotón a uno de los quarks y rebota. Pero en menos de uno entre mil millones de eventos sucede algo especial. El electrón entrante envía un fotón. Un quark lo absorbe y luego emite otro fotón un latido después. La diferencia clave es que este raro evento involucra dos fotones en lugar de uno: fotones entrantes y salientes. Los cálculos de Ji y Polyakov demostraron que si los experimentadores pudieran recolectar el electrón, el protón y el fotón resultantes, podrían inferir de las energías y los momentos de estas partículas lo que sucedió con los dos fotones. Y ese experimento de dos fotones sería esencialmente tan informativo como el imposible experimento de dispersión de gravitones.

¿Cómo podrían dos fotones saber algo sobre la gravedad? La respuesta implica matemáticas retorcidas. Pero los físicos ofrecen dos formas de pensar por qué funciona el truco.

Los fotones son ondas en el campo electromagnético, que pueden describirse mediante una sola flecha, o vector, en cada ubicación en el espacio que indica el valor y la dirección del campo. Los gravitones serían ondas en la geometría del espacio-tiempo, un campo más complicado representado por una combinación de dos vectores en cada punto. Captar un gravitón daría a los físicos dos vectores de información. Aparte de eso, dos fotones pueden sustituir a un gravitón, ya que también transportan colectivamente dos vectores de información.

Una interpretación alternativa de las matemáticas es la siguiente. Durante el momento que transcurre entre que un quark absorbe el primer fotón y emite el segundo, el quark sigue un camino a través del espacio. Al sondear este camino, podemos aprender acerca de propiedades como las presiones y fuerzas que rodean el camino.

"No estamos haciendo un experimento gravitacional", dijo Lorcé. Pero "deberíamos obtener acceso indirecto a cómo debería interactuar un protón con un gravitón". 

Sondeando el planeta Protón

Los físicos del Laboratorio Jefferson reunieron algunos eventos de dispersión de dos fotones en 2000. Esa prueba de concepto los motivó a construir un nuevo experimento, y en 2007, rompieron electrones en protones suficientes veces como para acumular aproximadamente 500,000 colisiones que imitaban gravitones. El análisis de los datos experimentales llevó otra década.

De su índice de propiedades de flexión del espacio-tiempo, el equipo extrajo el elusivo término de Druck y publicó su estimación de las presiones internas del protón en Naturaleza en el 2018.

Descubrieron que en el corazón del protón, la fuerza fuerte genera presiones de intensidad inimaginable: 100 mil millones de billones de billones de pascales, o aproximadamente 10 veces la presión en el corazón de una estrella de neutrones. Más lejos del centro, la presión cae y eventualmente gira hacia adentro, como debe ser para que el protón no se rompa. "Esto surge del experimento", dijo Burkert. "Sí, un protón es realmente estable". (Este hallazgo no tiene relación con si los protones se desintegran, sin embargo, lo que implica un tipo diferente de inestabilidad predicha por algunas teorías especulativas).

El grupo del Jefferson Lab continuó analizando el término Druck. Publicaron una estimación de las fuerzas de corte (fuerzas internas que empujan paralelas a la superficie del protón) como parte de una revisión. publicado en diciembre. Los físicos descubrieron que cerca de su núcleo, el protón experimenta una fuerza de torsión que se neutraliza mediante una torsión en la otra dirección, más cerca de la superficie. Estas mediciones también subrayan la estabilidad de la partícula. Los giros se esperaban basándose en el trabajo teórico de Schweitzer y Polyakov. "Sin embargo, verlo emerger del experimento por primera vez es realmente asombroso", dijo Elouadrhiri.

Ahora están utilizando estas herramientas para calcular el tamaño del protón de una forma nueva. En experimentos tradicionales de dispersión, los físicos habían observado que la carga eléctrica de la partícula se extiende aproximadamente a 0.8 femtómetros de su centro (es decir, los quarks que la componen zumban en esa región). Pero ese “radio de carga” tiene algunas peculiaridades. En el caso del neutrón, por ejemplo (la contraparte neutra del protón, en el que dos quarks con carga negativa tienden a permanecer en lo más profundo de la partícula, mientras que un quark con carga positiva pasa más tiempo cerca de la superficie), el radio de carga resulta como un número negativo. . “Esto no significa que el tamaño sea negativo; simplemente no es una medida fiel”, dijo Schweitzer.

El nuevo enfoque mide la región del espacio-tiempo que está significativamente curvada por el protón. En una preimpresión que aún no ha sido revisada por pares, el equipo del Laboratorio Jefferson calculó que este radio puede ser aproximadamente un 25% más pequeño que el radio de carga, sólo 0.6 femtómetros.

Los límites del planeta Protón

Conceptualmente, este tipo de análisis suaviza la danza borrosa de los quarks hasta formar un objeto sólido parecido a un planeta, con presiones y fuerzas que actúan sobre cada partícula de volumen. Ese planeta helado no refleja completamente el estridente protón en todo su esplendor cuántico, pero es un modelo útil. "Es una interpretación", dijo Schweitzer.

Y los físicos subrayan que los mapas iniciales son aproximados, por varias razones.

En primer lugar, medir con precisión el tensor de energía-momento requeriría energías de colisión mucho más altas que las que el Laboratorio Jefferson puede producir. El equipo ha trabajado duro para extrapolar cuidadosamente las tendencias a partir de las energías relativamente bajas a las que pueden acceder, pero los físicos siguen sin estar seguros de cuán precisas son estas extrapolaciones.

Además, el protón es más que sus quarks; también contiene gluones, que chapotean con sus propias presiones y fuerzas. El truco de los dos fotones no puede detectar los efectos de los gluones. Un equipo independiente del Laboratorio Jefferson utilizó un truco análogo (que implica una interacción entre dos gluones) para publicar un mapa gravitacional preliminar de estos efectos de los gluones en Naturaleza el año pasado, pero también se basó en datos limitados y de baja energía.

"Es un primer paso", dijo Yoshitaka Hatta, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven que se inspiró para comenzar a estudiar el protón gravitacional después del trabajo del grupo del Laboratorio Jefferson en 2018.

Es posible que en la década de 2030 aparezcan mapas gravitacionales más nítidos tanto de los quarks de protones como de sus gluones, cuando comience a funcionar el Colisionador de iones de electrones, un experimento actualmente en construcción en Brookhaven.

Mientras tanto, los físicos siguen adelante con experimentos digitales. Phiala Shanahan, físico nuclear y de partículas del Instituto Tecnológico de Massachusetts, dirige un equipo que calcula el comportamiento de quarks y gluones a partir de las ecuaciones de fuerza fuerte. En 2019, ella y sus colaboradores estimó las presiones y fuerzas de corte, y en octubre, estimó el radio, entre otras propiedades. Hasta ahora, sus hallazgos digitales se han alineado en términos generales con los físicos del Laboratorio Jefferson. "Ciertamente estoy muy entusiasmado por la coherencia entre los resultados experimentales recientes y nuestros datos", dijo Shanahan.

Incluso los vislumbres borrosos del protón obtenidos hasta ahora han remodelado suavemente la comprensión de la partícula por parte de los investigadores.

Algunas consecuencias son prácticas. En el CERN, la organización europea que dirige el Gran Colisionador de Hadrones, el mayor colisionador de protones del mundo, los físicos habían asumido previamente que en ciertas colisiones raras, los quarks podrían estar en cualquier lugar dentro de los protones en colisión. Pero los mapas inspirados gravitacionalmente sugieren que los quarks tienden a permanecer cerca del centro en tales casos.

"Los modelos que utilizan en el CERN ya han sido actualizados", dijo Francois-Xavier Girod, físico del Laboratorio Jefferson que trabajó en los experimentos.

Los nuevos mapas también pueden ofrecer orientación para resolver uno de los misterios más profundos del protón: por qué los quarks se unen a los protones. Existe un argumento intuitivo de que debido a que la fuerza fuerte entre cada par de quarks se intensifica a medida que se separan, como una banda elástica, los quarks nunca pueden escapar de sus camaradas.

Pero los protones se forman a partir de los miembros más ligeros de la familia de los quarks. Y los quarks ligeros también pueden considerarse ondas largas que se extienden más allá de la superficie del protón. Esta imagen sugiere que la unión del protón puede ocurrir no a través de la tracción interna de bandas elásticas sino a través de alguna interacción externa entre estos quarks ondulados y alargados. El mapa de presión muestra la atracción de la fuerza fuerte que se extiende hasta 1.4 femtómetros y más, lo que refuerza el argumento a favor de tales teorías alternativas.

"No es una respuesta definitiva", dijo Girod, "pero apunta al hecho de que estas imágenes simples con bandas elásticas no son relevantes para los quarks ligeros".