¿Cómo sabemos que dentro del protón tenemos partículas?
Esta es una pregunta muy frecuente.
Generalmente nos dicen que tenemos quarks y gluones
dentro de protones y neutrones.
¿Cómo estamos seguros de eso?
¿Acaso hemos visto estas partículas?
La respuestas es, sí.
En estas entradas vamos a describir los procesos experimentales que nos permiten decir sin ningún género de duda que dentro del protón tenemos partículas puntuales.
Todo consiste en lanzarle piedras lo más fuerte que puedas
La filosofía subyacente de lo que sigue no es nada nueva.
Lo que tenemos que hacer para ver la estructura de un protón es repetir el experimento de Rutherford sólo que con partículas más pequeñas (electrones) y energías más altas.
Lo que hacemos en este caso es tener una muestra de protones y lanzar con mucha energía electrones contra un protón.
Esto nos dirá la estructura que tiene el protón.
Y lo que descubriremos es que el protón en su interior muestra una estructura más rica de lo que esperábamos.
Encontraremos quarks, antiquarks y gluones:
¿Cómo creemos que es un protón?
Murray Gell-mann propuso que los hadrones estaban formados por tres partículas que denominó quarks.
Estas partículas son de espín 1/2 y tienen como característica sorprendente que tienen cargas eléctricas que son fracciones de la carga del electrón. Además estas partículas tienen una carga física (algo que los permite interactuar) que denominamos carga de color.
Las partículas que median esta interacción se denominan gluones.
Es decir, los quarks se atraen entre si intercambiando gluones.
Otra característica sorprendente de los quarks y su interacción es que no se pueden extraer los quarks de dentro de las partículas, como el protón, que los contienen. A esto se le llama “confinamiento”.
Es decir, si tenemos dos quarks interactuando resulta que si intentamos separarlos al final la energía que tenemos que usar en el proceso
hace que aparezcan otros dos quarks cada uno ligado a cada uno
de los dos iniciales que hemos intentado aislar.
La pregunta aquí es:
¿Cómo sabemos entonces que hay quarks dentro de los hadrones si no podemos aislarlos?
¿Cómo hacemos para ver dentro de un protón?
Inicialmente un protón se puede considerar como una partícula, pero sabemos que esta tiene un “tamaño”, es decir, no es puntual.
Así que tendremos que intentar ver si hay algo dentro de los protones. Entonces decidimos lanzar electrones contra el protón y los lanzamos con mucha energía, en el espíritu del experimento de Rutherford.
Es decir, mandamos electrones con mucha energía, esto produce que el protón se rompa y lo que medimos es con qué ángulo llega el electrón
a un detector que situamos detrás de los protones.
En forma de diagrama es algo así:
El electrón interacciona con el protón a alta energía.
Si este contiene partículas puntuales entonces el electrón es capaz de ver estas partículas y la interacción es esencialmente entre el electrón y un quark. La interacción se efectúa mediante el intercambio
de un fotón que consigue romper el protón.
Lo interesante es medir el ángulo final que tiene el electrón tras interactuar con los constituyentes del protón.
Con este procedimiento podemos medir lo que se conoce como factor de forma del protón . Y en el 69, Bjorken dedujo que si el protón estaba compuesto por partículas puntuales, este factor de forma no dependería de la energía del electrón . Esto fue medido en el SLAC y se encontró:
Medidas de W2 para diferentes ángulos de dispersión de los electrones.
Se puede ver cómo los datos experimentales caen todos (aproximadamente) en una recta horizontal, es decir, no depende de la energía del electrón
(a partir de un valor de la misma, la energía tiene que ser alta o si no el protón aparece como un “paquete sólido”).
Esto indica que el protón tiene estructura interna.
Así que una imagen aproximada de lo que está pasando es:
¿Sólo tres quarks?
Parece ser que al final Gell-Mann tenía razón (junto con algunos otros como Feynman, Bjorken, etc). Dentro de los protones tenemos tres quarks.
Pero no acaba aquí la historia, todavía se esconde alguna sorpresa más.
En los experimentos se puede estudiar la energía con la que interacciona el electrón con cada quarks a través de estudiar su ángulo de dispersión
(el ángulo en el que varía su “trayectoria” después de interaccionar
con un quark). Lo que uno espera es que cada quark presente en el protón tenga un tercio de la energía (aquí denotaremos a la fracción de energía de los quarks por la letra x). Esto se hace midiendo lo que se conoce como el factor de forma electromagnético .
El resultado experimental es:
Y en esta gráfica podemos ver varias cosas:
1.- Hay una variación de la función F para distintos valores de x.
2.- Los puntos graficados se calcula usando diferentes energías iniciales del electrón lanzado contra los protones.
El rango empleado aquí es: .
3.- Como vemos todos los puntos (cada uno a su energía de entre el rango utilizado) siguen el mismo perfil.
Es decir, otra vez encontramos que no depende de la energía inicial del electrón lanzado. (En realidad hay una pequeña dependencia ya que todos los puntos no caen sobre la misma línea, esta puede ser explicada por la cromodinámica cuántica, volveremos a ello en otro momento).
Así esta gráfica es magnífica para estudiar qué cantidad de energía tiene cada quark en el protón. Por lo tanto, pongamos una imagen de la forma de en varias situaciones teóricas posibles:
Y la sorpresa viene aquí:
Si sólo tenemos 3 quarks y nada más el factor de forma debería de ser parecido al de la imagen superior.
Sin embargo, lo que encontramos es algo como la predicción teórica de la última imagen de la figura.
Esta está calculada asumiendo que los quarks están intercambiando partículas (gluones) y que estos a su vez pueden dar lugar a pares de quark/antiquark que contribuyen a la energía (masa) del protón.
Así que ahora sabemos que el protón tiene un aspecto más parecido a esto:
Que a la imagen simple de tres quarks en su interior sin nada más.
La naturaleza siempre se empeña en tener ases bajo la manga.
