Viaje al centro del neutrón.

Valores del núcleo. La carga en el centró de un neutrón es positivo cuando se observa sólo los quarks en momento bajo (arriba) pero se hace increíblemente negativo para quarks con un momento mayor (medio y abajo). J. Arrington/Argonne National Lab

Un neutrón contiene tres quarks, y los físicos nucleares no comprenden por completo cómo se mueven estos dentro de la partícula. El año pasado, un análisis reveló una carga negativa en el centro del neutrón, y ahora un artículo en la sección de Comunicaciones Rápidas de septiembre de la revistaPhysical Review C atribuye este núcleo negativo a un movimiento muy rápido de los quarks “down”. Los resultados se elaboran en base a una visión tridimensional emergente de estas partículas fundamentales y de sus primos los protones.

El neutrón consta de un quark up con una carga de +2/3 y dos quarks down, cada uno con una carga de -1/3. Estos quarks están continuamente moviéndose en direcciones y con velocidades aleatorias, pero hay patrones. La comprensión más definida de la estructura de los neutrones procede de los experimentos de dispersión, donde un rayo de electrones impacta en un gas o líquido diana que está naturalmente lleno de neutrones. Los quarks se mueven tan rápido dentro de cada neutrón – cerca de la velocidad de la luz – que de acuerdo a la teoría de la relatividad, el espacio y el tiempo parecen distintos para cada uno de los quarks, que arrojan algunos resultados de dispersión ambiguos. Para solventar este problema, los físicos nucleares a menudo describen el neutrón como si aparecerían cuando se aproximan a la velocidad de la luz – un disco infinitamente fino. Este punto de vista ha sido usado durante décadas por los investigadores que estudian la dispersión inelástica, la cual mide los momentos de los quarks expulsando por completo los quarks del neutrón.

Pero el año pasado Gerald A. Miller de la Universidad de Washington en Seattle aplicó este punto de vista a los experimentos de dispersión elástica, los cuales dejan intacto el neutrón. En lugar de medir los momentos del quark, estos experimentos revelan las posiciones de las cargas dentro del neutrón. Durante décadas, tales experimentos han implicado que el neutrón es una nube cargada negativamente alrededor de una región central positiva. Pero el re-análisis de Miller demostró que también existe una carga en el núcleo del neutrón, dentro de la región positiva. “Fue una gran sorpresa para todos nosotros”, dice Carl Carlson de la Facultad William and Mary en Williamsburg, Virginia.

Mientras tanto, los experimentos inelásticos de mayor energía que mide el momento de los quarks han encontrado durante años que quarks ocasionales con un momento mucho mayor de lo usual es mucho más probable que sea negativo un quark down que positivo un quark up. Ahora Miller y John Arrington del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois ha demostrado que estos quarks de movimiento rápido mayormente de carga negativa es más probable que estén cerca del centro del neutrón. Por lo que el núcleo cargado negativamente es el resultado de que los quarks más rápidos aparezcan allí, de acuerdo con su nuevo trabajo.

Los análisis de Miller y Arrington combinan dos áreas tradicionalmente separadas de la investigación nuclear. “Históricamente, los análisis espaciales y de momento se hacían de forma separada”, dice Arrington. Encontraron que cuando observaban la distribución espacial de cargas para los quarks de momento más alto, el centro del neutrón – no relevante en los análisis de momento – fue una idea que necesitó una atención más cuidadosa. Resultó que cuando un único quark porta la mayor parte de la energía y momento del neutrón, automáticamente está cerca del centro. Es algo similar al sistema Tierra-Luna – ambos cuerpos orbitan entre sí, pero la masa dominante de la Tierra la coloca muy cerca del centro de órbita común.

Combinando la información de distintos experimentos, “estamos obteniendo una imagen tridimensional más exhaustiva de los núcleos”, dice Matthias Burkardt de la Universidad Estatal de Nuevo México en Las Cruces. Dice que esta imagen puede ayudar a los teóricos a comprender mejor cómo la QCD – la teoría aceptada para las interacciones entre quarks que es famosa por su dificultad de uso en cálculos – desempeña en las partículas simples.

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