El nombre átomo proviene de la antigua palabra griega "ἄτομος", que se traduce como indivisible. En
El protón es uno de los tres subatómicos establespartículas (los otros dos son electrones y neutrones), que son los componentes básicos de los átomos. Este nombre (del griego antiguo "πρῶτος" - primero) fue propuesto por Ernest Rutherford en 1920. En una serie de experimentos, un físico británico demostró que el "núcleo de hidrógeno" (el elemento químico más ligero) podía extraerse del nitrógeno al chocar con una partícula alfa (el núcleo de un átomo de helio).
Más de un siglo después de RutherfordDespués de descubrir la partícula cargada positivamente en el corazón de cada átomo, los físicos todavía están tratando de comprender qué es un protón. Los profesores de escuela suelen describirlos como bolas sin rasgos distintivos con una unidad de carga eléctrica positiva. En un nivel más complejo, estas partículas se representan como un haz de tres quarks interconectados: dos arriba y uno abajo.
Pero incluso este modelo es una fuerte simplificación.Décadas de investigación han descubierto y continúan explorando una imagen más profunda que es demasiado extraña para transmitirla completamente en palabras o imágenes.
Ilustración artística de ideas cambiantes sobre la composición del protón. Imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Cómo descomponer un protón y estudiar su composición
Prueba de que un protón contienemuchas partículas, se obtuvo por primera vez en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Stanford a finales de los años 60 del siglo pasado. En experimentos anteriores, los investigadores los bombardearon con electrones y los observaron rebotar como bolas de billar.
En el acelerador de partículas SLAC, los físicos lo lograron por primera vezacelerar los electrones con suficiente fuerza como para cambiar los resultados de las observaciones. Los electrones, en el proceso de dispersión inelástica profunda, golpearon el protón con suficiente fuerza como para romperlo y rebotaron en fragmentos puntuales del protón llamados quarks.
Los autores de este descubrimiento, que fue el primeroprueba de la existencia de los quarks, ganó el Premio Nobel de Física en 1990. Y desde entonces, científicos de todo el mundo han realizado cientos de experimentos de dispersión. Sacan conclusiones sobre varios aspectos del interior del objeto ajustando la fuerza del bombardeo y eligiendo qué partículas dispersas estudian como resultado del experimento.
Usando electrones de alta energía, los físicospuede detectar detalles más finos del protón. Por lo tanto, la energía de los electrones establece la resolución máxima del experimento de dispersión inelástica profunda. Cuanto más poderosos son los colisionadores, más completa es la imagen que dan sobre la composición del protón.
Colisionadores de mayor energía tambiénproducir una gama más amplia de resultados de colisión, lo que permite a los investigadores seleccionar diferentes subconjuntos para el análisis. Esta flexibilidad resultó ser la clave para comprender los quarks, que se mueven dentro del protón con diferentes cantidades de impulso.
Al medir la energía y la trayectoria de cada dispersiónelectrón, los investigadores pueden determinar en qué quark rebotó. El análisis estadístico de muchos experimentos repetidos, como un censo de población, "dice" a los investigadores cómo se distribuye el impulso de un protón o en qué tipo de quarks consiste.
Más que solo tres quarks
Primeros experimentos en el colisionador SLACconfirmó la teoría desarrollada anteriormente por Murray Gell-Mann y George Zweig sobre la composición del protón a partir de tres quarks. Después de la colisión, los electrones se separaron como si chocaran contra tres partículas separadas, cada una de las cuales lleva un tercio del impulso del protón.
El modelo de quarks de Gell-Mann y Zweig describeprotón como partícula que consta de dos quarks “arriba” con una carga eléctrica de +2/3 cada uno y un quark “abajo” con una carga de -1/3, lo que da la carga total del protón +1.
Pero el modelo de quarks es una simplificación excesiva,tiene serias deficiencias. Por ejemplo, no funciona cuando se trata de rotación (hacia atrás). protón, una propiedad cuántica similar al momento angular. Esta partícula subatómica tiene un espín de ½, al igual que cada uno de sus quarks arriba y abajo.
Inicialmente, los físicos asumieron que enEn cálculos que repiten la aritmética de carga simple, la mitad de las unidades de los dos quarks arriba menos la fracción del quark abajo debe ser igual a la mitad de la unidad del protón en su conjunto. Pero en 1988, la Colaboración Europea de Muones calculó que los espines de los quarks suman mucho menos de la mitad.
Del mismo modo, los estudios han demostrado que las masasdos quarks arriba y un quark abajo constituyen solo alrededor del 1% de la masa total de protones. Esto significaba que algo más debía estar oculto en su interior, otras partículas elementales que explicarían las propiedades de esta partícula subatómica.
Modelo simplificado de la estructura del protón. Animación: Laboratorio Nacional de Brookhaven
Muchos quarks y antiquarks en una partícula
Acelerador de partículas HERA en alemánEl centro de investigación DESY en Hamburgo de 1992 a 2007 estudió la colisión de electrones y protones con una fuerza unas mil veces mayor que la lograda en SLAC. Aunque el experimento se completó hace más de 10 años, los físicos continúan analizando los datos recopilados.
En los experimentos HERA, los físicos pudieron estudiarlos electrones rebotaron en quarks de impulso extremadamente bajo, incluidos aquellos que transportaban solo el 0,005% del impulso total del protón. Los resultados de la observación confirmaron que la composición del protón es mucho más complicada que el modelo de quarks de Gell-Mann y Zweig: los electrones rebotaron en el "remolino" de los quarks de bajo impulso y sus contrapartes de antimateria, los antiquarks.
Una estructura compleja de muchos quarks y antiquarks. Animación: MIT/Jefferson Lab/Animación Sputnik
Los resultados confirmaron el complejo y extravaganteteoría de la cromodinámica cuántica. Esta es la teoría cuántica de la fuerza fuerte que une a los quarks. Este modelo dota a los quarks de una nueva propiedad, tentativamente llamada "color", e introduce nuevas partículas, gluones, que transmiten la fuerte interacción entre los quarks.
Cada quark y cada gluón tiene uno de trestipos de cargas de "color", denominadas roja, verde y azul. Estas partículas cargadas de color se atraen naturalmente entre sí y forman un grupo, como un protón, cuyos colores se suman para formar un color blanco neutro.
Según la teoría de la cromodinámica cuántica, los gluonespuede recoger ráfagas instantáneas de energía. Con esta energía, estas partículas se descomponen en un quark y un antiquark, cada uno con solo una pequeña cantidad de impulso, antes de que el par se aniquile y desaparezca. Es este "mar" de gluones, quarks y antiquarks de transición el que fue descubierto por los sensibles detectores de HERA.
Visualización de protones. Animación: MIT
Nuevo aspecto encantador
Colisiones extremas de alta energíamuestran una gran variedad de quarks, anikirks y gluones en los que se desintegran los protones. Las colisiones con menos energía muestran solo tres quarks de valencia, que determinan el número cuántico de una partícula elemental. Pero un nuevo estudio muestra que, en ocasiones, el protón actúa como una estructura formada por cinco quarks.
Equipo de investigación liderado por Juan Rojodel Instituto Nacional de Física Subatómica de los Países Bajos y la Universidad VU de Ámsterdam analizaron más de 5000 imágenes de protones tomadas durante los últimos 50 años, utilizando el aprendizaje automático para determinar el movimiento de quarks y gluones dentro de un protón.
Nueva verificación encontró desenfoque de fondo enimágenes que habían eludido a los investigadores anteriores. En colisiones relativamente leves que apenas desgarraron un protón, la mayor parte del impulso estaba en los tres quarks habituales: dos arriba y uno abajo. Pero una pequeña cantidad de impulso, según han demostrado los estudios, provino del quark "encanto" y el antiquark encantado. Estas son partículas elementales grandes, cada una de las cuales es más pesada que el protón completo en más de un tercio.
El estudio mostró que aunque a niveles altosEn las colisiones energéticas, los gluones pueden dividirse en cualquiera de los seis tipos diferentes de quarks si tienen suficiente energía. Los quarks encantados y los antiquarks se forman con mucha más frecuencia, lo que los hace perceptibles incluso en colisiones relativamente leves.
En estas colisiones, el protón aparece comomezcla cuántica o superposición de varios estados: un electrón suele chocar con tres quarks ligeros. Pero de vez en cuando encontrará una "molécula" más rara de cinco quarks, como un quark up, down y charm agrupados en un lado, y un quark up y un antiquark encantado en el otro.
Estos resultados no son sólo teóricossignificado. Por ejemplo, se puede generar una cantidad suficiente de energía por la colisión de protones de radiación cósmica con partículas elementales en la composición de los átomos de la atmósfera terrestre. En el proceso de tales colisiones, los protones pueden decaer en quarks encantados y "derramarse" a la Tierra en forma de neutrinos de alta energía. Esto puede confundir a los observadores que usan estas partículas para estudiar el universo distante.
Cien años después del descubrimiento de la física de protonesseguir estudiando la estructura interna de estas partículas elementales. Los experimentos de próxima generación buscarán características aún más desconocidas. Por ejemplo, los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE. UU. planean lanzar el colisionador de iones de electrones en la década de 2030 y continuar donde lo dejó HERA. Tomarán imágenes de mayor resolución que permitirán las primeras reconstrucciones 3D del protón.
Esto debería ayudar definitivamente a los investigadoresdeterminar el origen de la rotación del protón y responder otras preguntas fundamentales sobre la oscura partícula que constituye la mayor parte de la materia ordinaria (bariónica) circundante.
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En la portada: una ilustración artística de los muchos quarks, antiquarks y gluones dentro de un solo protón. Imagen: D. Domínguez, CERN