Nuevas pistas sobre el misterio del espín del protón

Un nuevo estudio revela nuevos detalles sobre los orígenes del espín —propiedad física de las partículas elementales por la cual tienen un momento angular intrínseco de valor fijo— del protón.

Por el Jefferson Lab

El protón está formado por tres quarks: dos quarks up y uno down. El trío de qarks solo aporta entre el 20% y el 30% del espín total del protón.

Los físicos nucleares llevan mucho tiempo trabajando para desvelar cómo el protón obtiene su espín. Ahora, un nuevo método que combina datos experimentales con cálculos de última generación ha revelado una imagen más detallada de las contribuciones al espín del propio pegamento que mantiene unidos a los protones. También allana el camino hacia la obtención de imágenes de la estructura tridimensional del protón.

El trabajo ha sido dirigido por Joseph Karpie, del Centro de Física Teórica y Computacional (Centro de Teoría), en el Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Departamento de Energía de Estados Unidos).

En palabras de Karpie, este misterio que dura décadas comenzó con las mediciones de las fuentes del espín del protón en 1987. En un principio, los físicos pensaron que los componentes básicos del protón, los quarks, serían la principal fuente de su espín. Pero no fue así. Resultó que los quarks del protón —dos quarks up y uno down— solo proporcionan alrededor del 30% del espín total medido del protón. El resto procede de otras dos fuentes que hasta ahora han resultado más difíciles de medir.

Una es la misteriosa pero poderosa fuerza nuclear fuerte. Esta es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, y es la que pega los quarks para formar otras partículas subatómicas, como protones y neutrones. Las manifestaciones de esta fuerza nuclear fuerte se denominan gluones —el protón está formado por un océano de gluones y pares quark-antiquark virtuales— , y se cree que contribuyen al espín del protón. La última parte del espín procede de los movimientos de los quarks y los gluones del protón.

Resultados positivos y negativos.

“Este artículo es una especie de reunión de dos grupos del Centro de Teoría que han estado trabajando para tratar de entender la misma parte de la física, que es cómo los gluones que están dentro de él contribuyen a cuánto gira el protón”, comenta Karpie.

El físico asegura que el estudio, publicado en Physical Review, se inspiró en un resultado desconcertante que surgió de las primeras mediciones experimentales del espín de los gluones. Las mediciones se realizaron en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), una instalación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía situada en el Laboratorio Nacional Brookhaven de Nueva York. Al principio, los datos parecían indicar que los gluones podían estar contribuyendo al espín del protón. El resultado fue positivo.

Pero al mejorar el análisis de los datos, apareció otra posibilidad.

El detector STAR del acelerador relativista de iones pesados (RHIC), en Upton (Nueva York). Allí se llevaron a cabo las primeras mediciones experimentales del espín de los gluones que sirvieron de inspiración para el nuevo estudio.

“Cuando mejoraron su análisis, empezaron a obtener dos conjuntos de resultados que parecían bastante diferentes, uno era positivo y el otro negativo”, explica Karpie en una nota de prensa del Jefferson Lab.

Mientras que el resultado positivo anterior indicaba que los espines de los gluones están alineados con el del protón, el análisis mejorado permitía la posibilidad de que los espines de los gluones tuvieran una contribución negativa global. En ese caso, la mayor parte del espín del protón provendría del movimiento de los quarks y los gluones, o del espín de los propios quarks.

Este desconcertante resultado fue publicado por la colaboración Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).

Entran en juego los superordenadores.

Mientras tanto, la colaboración HadStruc había estado abordando las mismas mediciones de una manera diferente. Utilizaban superordenadores para calcular la teoría subyacente que describe las interacciones entre quarks y gluones en el protón, la cromodinámica cuántica.

Recordemos que la cromodinámica cuántica, comúnmente abreviada como QCD (por sus siglas en inglés, Quantum Chromodynamics), es una teoría que describe la interacción entre quarks y gluones, los componentes fundamentales de la materia nuclear. Es una parte esencial del modelo estándar de la física de partículas que es el marco teórico para describir todas las partículas fundamentales y sus interacciones.

Para que los superordenadores puedan realizar este intenso cálculo, los teóricos simplifican un poco algunos aspectos de la teoría. Esta versión algo simplificada para ordenadores se denomina QCD de celosía.

Enfoques distintos que mejoran los resultados.

Karpie dirigió los trabajos para reunir los datos de ambos grupos. Comenzó con los datos combinados de experimentos realizados en instalaciones de todo el mundo. A continuación, añadió a su análisis los resultados del cálculo QCD en celosía.

“Se trata de poner en común todo lo que sabemos sobre el espín de los quarks y los gluones y sobre cómo los gluones contribuyen al espín del protón en una dimensión”, explica David Richards, un científico del Jefferson Lab que ha trabajado en el estudio.

“Cuando lo hicimos, vimos que las cosas negativas no desaparecían, pero que cambiaban drásticamente. Eso significaba que algo raro pasaba con los gluones", dice Karpie. Este está convencido de que la combinación de los datos de ambos enfoques proporciona un resultado mejor fundamentado.

“Estamos combinando nuestros dos conjuntos de datos y obteniendo un resultado mejor que el que cualquiera de los dos podría obtener por separado. Esto demuestra que se aprende mucho más combinando la QCD en celosía y los experimentos en el análisis de un problema— afirma Karpie. Y añade—: Este es el primer paso, y esperamos seguir haciéndolo con más y más observables a medida que obtengamos más datos de celosía”.

El siguiente paso es seguir mejorando los conjuntos de datos. A medida que experimentos más potentes proporcionan información más detallada sobre el protón, estos datos empiezan a pintar un cuadro que va más allá de una dimensión. Y a medida que los teóricos aprenden a mejorar sus cálculos en superordenadores cada vez más potentes, sus soluciones también se vuelven más precisas e inclusivas.

El objetivo es llegar a comprender la estructura tridimensional del protón.

“Así, aprendemos que nuestras herramientas funcionan en el escenario más simple de una dimensión. Al probar nuestros métodos ahora, esperamos saber qué tenemos que hacer cuando queramos pasar a la estructura tridimensional—explica Richards. Y concluye—: Este trabajo contribuirá a esta imagen tridimensional del aspecto que debería tener un protón. Así que se trata de llegar al meollo de la cuestión haciendo ahora estas cosas más sencillas”.

• Información facilitada por el Jefferson Lab -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones

• Fuente: J. Karpie, R. M. Whitehill, W. Melnitchouk, C. Monahan, K. Orginos, J.-W. Qiu, D. G. Richards, N. Sato, and S. Zafeiropoulos (Jefferson Lab Angular Momentum and HadStruc Collaborations). Gluon helicity from global analysis of experimental data and lattice QCD Ioffe time distributions. Physical Review (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.109.036031