Ciencia

¿Qué tan grande es un protón? Los neutrinos pesan

Para una lección sobre cuánto, y cuán poco, sabemos realmente sobre el universo, considere los protones. Sabemos que estas diminutas partículas cargadas positivamente residen dentro del núcleo de cada átomo y constituyen la mayor parte de la materia ordinaria del universo. Sabemos que un protón emparejado con un electrón produce hidrógeno, el primer elemento de la tabla periódica y el combustible que permite que las estrellas brillen. Sabemos que los propios protones están compuestos por un trío de partículas aún más pequeñas llamadas quarks, que aprendimos en parte construyendo máquinas gigantescas de miles de millones de dólares para chocar protones a casi la velocidad de la luz. Los protones son los caballos de batalla de la creación cósmica y la física de partículas por igual; sin embargo, a pesar de todo esto, luchamos por saber simplemente qué tan grandes son.

Después de medio siglo de esfuerzos, para el cambio de milenio los físicos pensaron que se acercaban a una respuesta. Usando dos tipos de medidas ultraprecisas que probaron la carga eléctrica del protón, los investigadores fijaron el radio de la partícula en aproximadamente 0,877 femtómetro (un femtómetro es una billonésima parte de un milímetro). Pero en 2010, una nueva técnica de carga eléctrica aún más precisa sugirió que el radio del protón era un 4 por ciento más pequeño aún, una discrepancia aparentemente minúscula que, sin embargo, se desvió enormemente de las expectativas teóricas.

La mayoría de los físicos consideraron que este «rompecabezas del radio del protón» se resolvió en 2019 cuando un minucioso trabajo de seguimiento se decidió de manera convincente por el valor más bajo para el tamaño de la partícula como correcto. (Ya sea que la discrepancia se deba a errores experimentales o a la señalización de una física aún desconocida sigue siendo objeto de debate). Ahora, los investigadores que utilizan un método nuevo y completamente independiente para medir el tamaño del protón, uno que involucra neutrinos en lugar de carga eléctrica, están sopesando , también. sus hallazgos fueron publicados en Naturaleza en febrero.

Este cambio es importante porque un protón, como todas las cosas en el reino cuántico, es menos un objeto concreto con límites bien definidos y más una nube nebulosa de probabilidades. No existe una membrana física que delinee dónde comienza y dónde termina un protón. En cambio, hay una vorágine de quarks que cambia de forma, y ​​los físicos pueden mapear la distribución de los quarks para estimar el tamaño del protón. Pero los quarks también tienen sus propias propiedades probabilísticas resbaladizas: cualquier respuesta que revelen depende de lo que se les pregunte exactamente, y consultarlos a través de la carga eléctrica es un tipo diferente de pregunta que sondear con neutrinos, que no tienen carga. Obtener respuestas a ambos, entonces, el «radio de carga eléctrica» ​​del protón, así como su «radio de neutrino», es una potente verificación cruzada del tamaño del protón.

Los resultados del radio de carga eléctrica para resolver acertijos de 2019 surgieron en gran medida del trabajo en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson (Jefferson Lab) en Newport News, Virginia, donde los físicos dispararon haces de electrones al hidrógeno lleno de protones. Al rastrear cómo los electrones en cada haz rebotaban en los protones de las moléculas de hidrógeno, los físicos pudieron esbozar progresivamente la distribución de carga eléctrica para un solo protón, en otras palabras, su tamaño. Con neutrinos eléctricamente neutros, este esquema cambia bastante. Los neutrinos son tan escurridizos que billones de ellos pasan por tu mano cada segundo sin interactuar contigo. Esto significa que cualquier interacción que ocurra tiene lugar muy, muy cerca, lo que hace que los neutrinos sean útiles para medir otras cosas pequeñas.

«Siempre imagino esto como diferentes formas de ver las cosas… tenemos muchas dificultades para ver nuestro universo en términos de estos neutrinos porque son muy difíciles de medir», dice Tejin Cai, investigador postdoctoral en la Universidad de York en toronto Cai dirigió la colaboración del Experimento de neutrinos del inyector principal para estudiar interacciones vA (MINERvA) en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois, en la última búsqueda de la estructura de protones utilizando un haz de antineutrinos, que muchos de sus colegas pensaron que ser fútil (Un antineutrino es la contraparte de antimateria de un neutrino. MINERvA usa ambos, pero medir el resultado de una interacción con protones es más fácil con antineutrinos).

Los tres quarks del protón se dividen en dos tipos o sabores: dos quarks «arriba» y un quark «abajo». Cuando los diminutos y poderosos antineutrinos del Fermilab chocaron contra un protón, convirtieron uno de sus quarks up en un quark down, convirtiendo el protón en un neutrón (que tiene la configuración de quark opuesta a un protón). Basándose en la ubicación de este nuevo neutrón, los físicos luego trabajaron hacia atrás para averiguar dónde estaba el quark que cambiaba de forma hacia arriba en su momento de transformación, y esto proporcionó pistas sobre su distribución dentro del protón.

«Lo que me emociona de esta medida es que pudimos usar neutrinos para hacer algo que antes solo podíamos hacer con electrones», dice Cai.

La medida del equipo del radio del protón fue de 0,73 femtómetros, incluso más pequeña que el radio de carga eléctrica de 0,84 femtómetros. En cualquier caso, es casi 10.000 veces más pequeño que un átomo de hidrógeno.

Para ser claros, esta aparente contracción del 13 por ciento no es un golpe para las mediciones del radio de carga eléctrica y no es tan impactante como puede parecer. Las dos medidas son complementarias y trabajan juntas para ofrecer una vista panorámica del pequeño protón. Debido a que miden diferentes distribuciones de materia, la discrepancia no desafía nuestra comprensión del protón de la misma manera que lo hizo su contracción anterior del 4 por ciento. En cambio, se suma a esa comprensión.

“Lo que hace que esta medición sea realmente interesante no es si coincide o no con las mediciones electrónicas del radio del protón electromagnético, sino el hecho de que no tiene por qué coincidir en absoluto”, dice Deborah Harris, co-portavoz de MINERvA. experimento. Esto se debe a que la forma en que los neutrinos interactúan con los quarks up frente a los quarks down es muy diferente de cómo interactúan los quarks con los electrones. En lugar de una interacción electromagnética, los neutrinos interactúan a través de una fuerza diferente llamada fuerza débil. (Pero no deje que su nombre lo engañe: ¡la fuerza débil es bastante fuerte en distancias subatómicas!)

De hecho, el radio de «carga débil» del protón, por así decirlo, y su radio de carga eléctrica concuerdan entre sí dentro de sus rangos de incertidumbre, y no es particularmente sorprendente que los radios sean similares. Los experimentos de dispersión de electrones miden dónde un electrón toca la carga de un quark, y los experimentos con neutrinos miden dónde un antineutrino cambia el sabor de un quark. Estas dos regiones deberían estar cerca una de la otra porque ambas dependen de la ubicación de la nube que cambia de forma de un quark. Pero quizás incluso más impactante que una comprensión actualizada de la estructura del protón son las implicaciones del nuevo estudio sobre cómo se pueden usar los neutrinos en el futuro.

«Esta nueva medida es igualmente importante, tal vez incluso más importante, que la nuestra porque está abordando un nuevo tipo de interacción», dice Ashot Gasparian, físico de la Universidad Estatal Técnica y Agrícola de Carolina del Norte, quien fue uno de los autores de la carga eléctrica. estudio de radio en Jefferson Lab. Estas interacciones, dice, son importantes para comprender otros grandes problemas de la física además del radio del protón, como el misterio de cómo los neutrinos adquieren su masa infinitesimal.

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