La extrañeza y los gluones del protón aportan el 0,8% y el 50% de su momento magnético

El protón contiene pares virtuales de quark extraño y antiquark extraño. Mediante QCD en redes (LQCD) se ha determinado su contribución al momento magnético y a la distribución de carga eléctrica del protón. En promedio, los quarks extraños se distribuyen un poco más lejos del centro del protón que los antiquarks extraños. Esta asimetría en la distribución total de carga hace que contribuyan un (0.8 ± 0.2)% al momento magnético del protón según el último resultado de la Colaboración χQCD.

Una aportación tan pequeña no resuelve el misterio del momento magnético anómalo del protón. Los quarks de valencia contribuyen un 30% del total y falta un 70%. La Colaboración χQCD también ha estimado la contribución de los gluones. Su resultado es que contribuyen del orden del 50% del total. Si sumas verás que aún falta del orden de un 20%. El misterio del origen del espín del protón aún sigue abierto.

El artículo es Raza Sabbir Sufian, Yi-Bo Yang, …, Keh-Fei Liu (χQCD Collaboration), “Strange Quark Magnetic Moment of the Nucleon at the Physical Point,” Physical Review Letters 118: 042001 (27 Jan 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.042001,arXiv:1606.07075 [hep-ph]. Más información divulgativa en Ross D. Young, “Strangeness in the proton,” Nature (12 Apr 2017), doi: 10.1038/nature21909.

Sobre la contribución de los gluones, remito al artículo de Yi-Bo Yang, Raza Sabbir Sufian, …, Yong Zhao (χQCD Collaboration), “Glue Spin and Helicity in the Proton from Lattice QCD,” Physical Review Letters 118: 102001 (06 Mar 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.102001, arXiv:1609.05937 [hep-ph]. Más información divulgativa en Steven D. Bass, “Spinning Gluons in the Proton,” Physics 10: 23 (06 Mar2017), y en Shannon Brescher Shea, “How did the Proton Get Its Spin?” DOE Office of Science, 29 Mar 2017.

Como ya sabes, los quarks tienen seis sabores: arriba (u), abajo (d), extraño (s), encanto (c), fondo (b) y cima (t). Los tres más ligeros (u, d y s) tienen una masa menor que la del protón. Por ello, el protón contiene infinidad de pares virtuales quark-antiquark de tipo u, d y s; además de una infinidad de gluones virtuales que los relacionan y se relacionan entre sí. La contribución total de los quarks de valencia u y d suma exactamente tres, mientras la debida a los quarks extraños suma cero (por ello no son quarks de valencia). Sin embargo, su efecto dentro del protón es calculable (mediante LQCD) y medible (mediante experimentos que colisionan electrones de alta energía contra protones). Igualmente ocurre con la contribución de los gluones (de hecho, en muchos experimentos se prefiere el término partones, para referirse de forma común a quarks y gluones cuando no son observacionalmente distinguibles).

Calcular las propiedades del protón usando la cromodinámica cuántica (QCD) en redes (o en el retículo), en inglés Lattice QCD o LQCD, requiere el uso de los supercomputadores más potentes del mundo. El nuevo trabajo ha usado el sistema Cray XK7 llamado Titan, que se encuentra en Centro de Supercomputación de Oak Ridge en Tennessee (OLCF, por Oak Ridge Leadership Computing Facility); usa procesadores Opteron 6274 de 16 núcleos a 2,2 GHz, totalizando 560 640 núcleos. En noviembre de 2012, Titan fue el número 1 del TOP500; en la última lista, de noviembre de 2016, ha bajado hasta el puesto número 3; alcanzó un pico de 17,6 petaflops por segundo (17590 TFlop/s).

Se ha usado un modelo LQCD con (2 + 1) sabores en cuatro configuraciones (con diferente parámetro de red a): 24I (a = 0,1105(3) fm), 32I (a = 0.0828(3) fm), 32ID (a = 0.1431(7) fm) y 48I (a = 0.1141(2) fm). Se han considerado masas para el pión en el rango mπ ∈(135, 400) MeV. El momento magnético GMs y el radio de carga s

2>E, asociados a los quarks extraños son función del momento Q2 y de la masa del pión mπ, en concreto GMs(Q2, mπ) y s2>E(mπ).

Los valores finales obtenidos (para la masa física del pión) son GMs(Q2=0) = −0.064(17) µN, GMs(Q2=0.1 GeV2) = −0.037(10)(05) µN, y s

2>E = −0.0043(21) fm2, donde los errores (entre paréntesis) tienen origen sistemático y µN es el momento magnético del nucleón (el de un fermión de Dirac con su masa); recuerda que el momento magnético total del protón medido en los experimentos es μp = 2.7928473508(85) μN. Futuros experimentos tendrán que verificar las estimaciones LQCD para la contribución de la extrañeza del protón, e incluso mejorar su determinación.

Los gluones son bosones de espín 1 y los quarks son fermiones de espín 1/2. Los gluones contribuyen al espín del protón vía sus momentos angulares orbital y de espín. Su contribución depende del momento con el que se explora el protón (Q2). Cuando se calcula mediante LQCD también depende de la masa del pión y la configuración de la simulación; en el nuevo estudio se han usado cinco configuraciones llamadas 32ID, 48I, 24I, 32I, y 32If (no quiero entrar en más detalles).

Esta figura ilustra la contribución del espín del gluón en función de la masa del pión para estas configuraciones. El resultado final, para la masa física del pión, que se ha obtenido es que la contribución del gluón es de ∆G(µ2 = 10 GeV2) ≈ SG(∞, µ2 = 10 GeV2) = 0.251(47)(16), que corresponde al 50(9)(3)% del espín total del protón. Como ves el error es grande, pero incluso en el mejor caso, no resuelve de forma completa el misterio.

El protón, el núcleo del átomo de hidrógeno, en toda su sencillez, y en toda su complejidad, aún sigue siendo misterioso. Calcular sus propiedades ab initio usando QCD (en rigor LQCD), aún sigue siendo imposible. Todos los físicos confiamos en que algún día sea posible y quede confirmada la predicción más relevante de la QCD, el protón. Hasta entonces tendremos que seguir midiendo sus propiedades mediante experimentos (colisionadores de electrones contra protones y de electrones contra iones pesados).